INTEGRATION OF AN OFF-GRID PHOTOVOLTAIC SYSTEM AT SANTO ANTÔNIO MUNICIPAL SCHOOL IN THE RURAL AREA OF MANAUS
REGISTRO DOI: 10.69849/revistaft/ni10202510310703
Roryon Renzo Alves Oliveira1
Erika Cristina Nogueira Marques Pinheiro2
Resumo
Este estudo analisa a integração de um sistema fotovoltaico off-grid à rede elétrica da Escola Municipal Santo Antônio para suprir parcialmente a demanda de carga no período letivo e reduzir as emissões de dióxido de carbono associadas ao uso de gerador a diesel em contexto amazônico isolado. Objetiva quantificar, de forma clara e transparente, as emissões de CO₂ do suprimento elétrico por gerador a diesel e, pela comparação de cenários, demonstrar a redução alcançável com a adoção do sistema fotovoltaico proposto, com base em premissas operacionais, fatores de emissão e horizonte temporal previamente definidos. Para tanto, adota como método realizar o levantamento de carga e o perfil de uso da unidade; e realizar o dimensionamento para um sistema off-grid com definição de arranjo fotovoltaico, dispositivos de controle, armazenamento e conversão; construir e ensaiar um protótipo didático com mini placa solar de dez watts para demonstrar princípios de operação; estimar consumo de combustível e emissões do gerador; e modelar a geração solar e a autonomia do banco de baterias. Os achados indicam potencial para reduzir emissões e despesas operacionais, aumentar a confiabilidade do suprimento durante o turno diurno e oferecer base técnico-científica para a decisão de implantação de uma solução off-grid na escola.
Palavras-chave: Sistema Fotovoltaico off-grid. Gerador a diesel. Emissão de CO₂.
ABSTRACT
This study analyzes the integration of an off-grid photovoltaic system into the electrical grid of the Santo Antônio Municipal School to partially meet the load demand during the school year and reduce carbon dioxide emissions associated with the use of a diesel generator in an isolated Amazonian context. It aims to quantify, clearly and transparently, the CO₂ emissions from the diesel generator’s electrical supply and, through scenario comparison, demonstrate the achievable reduction with the adoption of the proposed photovoltaic system, based on previously defined operational assumptions, emission factors, and time horizon. To this end, the methodology involves conducting a load survey and analyzing the school’s usage profile; designing an off-grid system with the definition of the photovoltaic array, control devices, storage, and conversion; building and testing a didactic prototype with a ten-watt mini solar panel to demonstrate operating principles; estimating fuel consumption and generator emissions; and modeling solar generation and battery bank autonomy. The findings indicate potential for reducing emissions and operating expenses, increasing supply reliability during the daytime shift, and providing a technical and scientific basis for the decision to implement an off-grid solution at the school.
Keywords: Off-grid photovoltaic system. Diesel generator. CO₂ emissions.
1. INTRODUÇÃO
A energia elétrica desempenha papel fundamental no desenvolvimento de qualquer sociedade, influenciando diretamente áreas como saúde, segurança, comunicação e, principalmente, educação. No Brasil, embora o acesso à eletricidade tenha avançado nas últimas décadas, ainda persistem desigualdades regionais, especialmente em zonas rurais e comunidades isoladas da região amazônica. Nesses locais, o fornecimento de energia é frequentemente limitado, instável ou inexistente, o que compromete o funcionamento de serviços públicos essenciais. Diante desse contexto, alternativas sustentáveis vêm sendo buscadas para suprir essas lacunas, sendo a energia solar fotovoltaica uma das soluções mais promissoras.
Estudos anteriores têm identificado que a dependência de geradores a diesel em comunidades isoladas da Amazônia acarreta altos custos operacionais, logística complexa de abastecimento e impactos ambientais significativos. A literatura mostra que a adoção de sistemas fotovoltaicos off-grid, que funcionam de forma autônoma e com armazenamento de energia, é uma alternativa viável e já aplicada em projetos-piloto no Brasil e em outros países de características geográficas similares (Sousa et al., 2021; Shezan et al., 2021; Uddin et al., 2025). No entanto, ainda existem barreiras técnicas, econômicas e de implementação que dificultam sua adoção em larga escala, especialmente quando se trata de estruturas públicas como escolas, que dependem de fornecimento contínuo e confiável para manter suas atividades pedagógicas.
Este trabalho tem como objetivo principal propor a integração de um sistema fotovoltaico off-grid a uma unidade escolar rural, demonstrando sua viabilidade como alternativa ao grupo motor-gerador movido a diesel. Essa proposta visa contribuir com a engenharia elétrica ao explorar soluções sustentáveis para a geração de energia em locais onde a rede convencional não é suficiente ou inexistente, abordando questões como eficiência energética e confiabilidade. Além disso, também objetiva avaliar o impacto direto da redução no uso do gerador a diesel na realidade da região amazônica, mais especificamente na zona rural de Manaus, onde se localiza a Escola Municipal Santo Antônio. Essa região, marcada por dificuldades logísticas e exclusão energética, carece de estudos aplicados que proponham soluções tecnicamente viáveis, economicamente sustentáveis e ambientalmente responsáveis para garantir o funcionamento pleno das instituições de ensino.
Um aspecto central do debate energético na Amazônia diz respeito às emissões de dióxido de carbono (CO₂) associadas à geração por combustíveis fósseis. O uso constante de geradores a diesel nas comunidades isoladas representa uma das principais fontes de poluição atmosférica local, afetando tanto o meio ambiente quanto a saúde da população. Além disso, essa prática contradiz os compromissos assumidos pelo Brasil no combate às mudanças climáticas e na busca por uma matriz energética mais limpa e descentralizada. A substituição gradual desses geradores por sistemas solares contribui não apenas para a redução das emissões, mas também para a promoção de uma cultura energética mais sustentável e compatível com os ecossistemas amazônicos.
Neste contexto, a Escola Municipal Santo Antônio, localizada na zona rural de Manaus, torna-se objeto de estudo exemplar. A unidade atualmente opera com um gerador a diesel de 75 kVA e dispõe de um módulo fotovoltaico instalado pelo Programa Luz Para Todos (LPT), cuja capacidade é insuficiente para suprir a demanda energética da instituição, pois atende também a comunidade.
Assim, o objetivo deste trabalho é formular e analisar a integração de um sistema fotovoltaico off-grid à infraestrutura elétrica da unidade escolar. A solução proposta configurase como alternativa efetiva para reduzir a dependência do combustível fóssil, garantir a estabilidade no fornecimento de energia e melhorar a infraestrutura educacional da unidade. Dada a relevância ambiental, técnica e social do tema, este trabalho se propõe a dimensionar um modelo sustentável de geração elétrica, demonstrar a funcionalidade através de um protótipo em escala reduzida e, por fim, apresentar através de cálculos matemáticos, a projeção de redução de CO₂ para a Escola Municipal Santo Antônio.
Diante desse cenário e dos objetivos delineados, o estudo avança para a fundamentação teórica que embasa o dimensionamento e a operação de sistemas fotovoltaicos off-grid em contexto amazônico, explicita os critérios técnicos e ambientais adotados e define as métricas de análise custo-benefício. Em seguida, apresenta-se o método de projeto e de estimativa de emissões, a construção do protótipo didático e, por fim, o estudo de caso aplicado à Escola Municipal Santo Antônio, no qual se avaliam desempenho, viabilidade e ganhos ambientais frente ao uso do gerador a diesel. Essa trajetória analítica orienta a resposta à questão central — em que medida a integração fotovoltaica reduz a dependência do combustível fóssil mantendo a continuidade pedagógica — e organiza os resultados que sustentam as conclusões do trabalho.
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA.
Sistemas fotovoltaicos off-grid são caracterizados pela sua independência da rede elétrica convencional, sendo amplamente utilizados em regiões remotas ou onde a infraestrutura de distribuição é inexistente ou precária. Tais sistemas utilizam baterias para o armazenamento da energia gerada, garantindo autonomia mesmo durante períodos sem insolação (DE SOUSA et al., 2021). Devido à natureza intermitente da fonte solar, o dimensionamento adequado e a presença de um sistema de controle de carga são cruciais para assegurar o fornecimento contínuo e eficiente de energia.
Além de fornecer energia a comunidades isoladas, esses sistemas contribuem diretamente para a redução de desigualdades sociais e para o cumprimento dos Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS), especialmente no que tange ao acesso à energia limpa e acessível (ONU, 2021). No contexto educacional, a implementação de sistemas off-grid pode representar a diferença entre a continuidade ou a paralisação das atividades escolares em regiões de difícil acesso, como ocorre em diversas comunidades da Amazônia Legal.
Estudos recentes, como o de Uddin et al. (2025), demonstram que estratégias integradas de gestão de energia em micro-redes comunitárias, que envolvem o uso de fontes renováveis associadas a armazenamento, são eficazes para reduzir os picos de demanda, custos operacionais e emissões de gases de efeito estufa. A pesquisa mostrou, por exemplo, uma redução de até 84% nos custos operacionais e quase 200% na mitigação de CO₂ em comunidades isoladas.
2.1 Impactos ambientais da geração a diesel em comunidades remotas
O uso contínuo de geradores a diesel em comunidades isoladas, embora essencial em muitos casos, apresenta uma série de desvantagens. Entre os principais impactos estão as emissões de CO₂, o elevado custo do combustível em regiões de difícil acesso e a necessidade constante de manutenção dos equipamentos (CUMPLIDO et al., 2024). Em média, um gerador de 75 kVA operando oito horas por dia pode emitir mais de 1.000 kg de CO₂ semanalmente, sem considerar outros poluentes como óxidos de nitrogênio e material particulado (OLIVEIRA et al., 2012).
Além das emissões atmosféricas, há riscos associados ao transporte e armazenamento de combustíveis fósseis, que frequentemente envolvem vazamentos e contaminações do solo e da água. Segundo Victoria et al. (2019), a substituição gradual de geradores por sistemas fotovoltaicos representa uma estratégia de mitigação climática eficiente, com possibilidade de alcançar até 95% de redução nas emissões se associada a boas práticas de gestão energética e armazenamento.
2.2 Viabilidade técnica, econômica e ambiental da energia solar na amazônia
A região amazônica apresenta índices de radiação solar favoráveis ao aproveitamento da energia solar durante praticamente todo o ano. Isso torna a adoção de sistemas fotovoltaicos não apenas viável, mas também estratégica para o desenvolvimento regional (PEDROSA et al., 2024). A viabilidade econômica desses sistemas é frequentemente questionada devido ao custo inicial elevado. No entanto, quando comparados aos custos cumulativos do diesel e da manutenção dos geradores, os sistemas solares mostram-se economicamente vantajosos no médio e longo prazo (SILVA et al., 2021).
A utilização de softwares como o HOMER Pro para simulação de micro-redes e análise de viabilidade tem se mostrado eficiente na otimização de projetos em áreas rurais. Em estudo realizado por Shezan et al. (2021), a implementação de sistemas híbridos fotovoltaico-diesel em uma ilha da Malásia resultou na redução de mais de 3 milhões de kg de CO₂ por ano, além de reduzir o custo da energia de US$0,217/kWh para US$0,165/kWh.
2.3 Experiências internacionais comparativas
Diversas experiências internacionais reforçam o potencial dos sistemas off-grid em comunidades remotas. Um caso de destaque é o do sistema implementado em comunidades aborígenes na Austrália, onde a adoção de uma estratégia de gestão integrada de energia permitiu a redução significativa das emissões e melhoria da confiabilidade do fornecimento energético (UDDIN et al., 2025). De forma semelhante, experiências na Europa com metas rigorosas de descarbonização demonstram que a energia solar fotovoltaica pode atender até 33% da demanda energética com grande eficiência, conforme observado por Victoria et al. (2019).
Essas evidências internacionais são relevantes para o caso brasileiro, uma vez que revelam a possibilidade de replicar soluções adaptadas ao contexto local. A realidade da Escola Municipal Santo Antônio se insere neste paradigma, onde a substituição ou complementação do GMG por um sistema solar pode representar um marco na sustentabilidade e na melhoria da infraestrutura escolar na zona rural de Manaus.
2.4 Contexto da escola e motivação energética
O objeto de estudo deste artigo foi a Escola Municipal Santo Antônio — instituição pública municipal que atende do Maternal ao 9º ano — possui 65 estudantes e 14 servidores, funcionando em turno diurno: das 7h30 às 11h20 e 12h30 às 16h30, localizada na comunidade Monte Sinai – Rio Negro, zona Rural de Manaus. A unidade fora recentemente reformada e reinaugurada. Atualmente, a principal fonte de energia é um gerador a diesel, que assegura o funcionamento cotidiano, mas impõe custos operacionais, logística de abastecimento e riscos de indisponibilidade típicos de sistemas isolados.
No âmbito deste estudo, propõe-se a integração de um sistema fotovoltaico off-grid à infraestrutura elétrica da escola para suprir a demanda de carga parcial, ou seja, atender as principais cargas para que a unidade opere durante o período letivo e reduzir as emissões de CO₂ associadas ao uso do GMG. Tal proposta ancora-se na realidade amazônica — marcada por desafios logísticos e exclusão energética — e busca aumentar a confiabilidade do fornecimento, diminuir custos recorrentes de combustível/manutenção e alinhar a unidade a práticas mais sustentáveis.
Do ponto de vista técnico, sistemas off-grid com armazenamento em baterias são recomendados para contextos remotos pela autonomia e continuidade de serviço que oferecem. No caso específico da Escola Municipal Santo Antônio, foi identificado o uso de um gerador de 75 kVA e a existência de um módulo fotovoltaico do Programa Luz Para Todos, cuja capacidade é insuficiente frente à demanda atual — cenário que reforça a pertinência da solução proposta e seu papel nas melhorias de infraestrutura previstas.
3. METODOLOGIA
3.1. Classificação da pesquisa e motivação para o estudo de caso
Este estudo se enquadra como pesquisa aplicada, de naturezaquali-quantitativa, com delineamento exploratório-descritivo e estratégia de estudo de caso. É aplicada porque visa resolver um problema concreto de fornecimento elétrico em uma escola rural por meio do dimensionamento e validação de uma solução fotovoltaica off-grid; assume abordagem qualiquantitativa por integrar levantamentos técnicos in loco, observações operacionais e tratamento numérico de dados de carga, irradiância e emissões; é exploratório-descritivo porque mapeia condições reais da infraestrutura, caracteriza perfis de uso e descreve parâmetros de projeto próprios do contexto amazônico; adota estudo de caso por concentrar a análise na Escola Municipal Santo Antônio, permitindo profundidade e contextualização; incorpora procedimentos experimentais com o protótipo em escala reduzida para verificar coerência funcional entre geração, armazenamento e uso; e utiliza pesquisa documental e de modelagem ao mobilizar normas, catálogos e simulações para fundamentar o dimensionamento, comparar cenários e estimar impactos operacionais e ambientais.
Adota-se o estudo de caso da Escola Municipal Santo Antônio por reunir condições emblemáticas do contexto amazônico isolado: dependência de gerador a diesel, restrições logísticas de abastecimento, variação de carga associada ao calendário letivo e necessidade de continuidade pedagógica. A escolha se justifica pela possibilidade de observar o problema em sua complexidade técnico-operacional, com acesso a dados de uso real, interação com usuários e verificação in loco de limitações de infraestrutura. O caso oferece relevância social imediata, potencial de impacto ambiental mensurável e oportunidade de testar premissas de dimensionamento em escala compatível com a realidade local. A unidade, por seu porte e perfil de carga, apresenta representatividade para escolas rurais com serviços essenciais (iluminação, refrigeração de alimentos e apoio administrativo), permitindo inferências transferíveis e elaboração de um roteiro replicável. A delimitação do caso, com fronteiras claras de sistema (geração fotovoltaica, armazenamento, priorização de cargas e eventual operação híbrida), favorece a validade interna da análise e a documentação de decisões de projeto, criando base para futuras comparações e para a ampliação do escopo em redes escolares similares.
Figura 1: Escola Municipal Santo Antônio
4. ESTUDO DE CASO
4.1. Levantamento de carga e dimensionamento
O dimensionamento adotou uma estratégia operacional que privilegia o suprimento direto, durante o expediente escolar, das cargas de maior demanda, enquanto reserva o armazenamento apenas para a manutenção da refrigeração (geladeiras e freezers) no período noturno. Inicialmente, procedeu-se ao levantamento das cargas e dos perfis de uso a partir da rotina de funcionamento da unidade escolar. Essas informações foram organizadas no modelo de tabela a seguir.
Tabela 1: Modelo
O procedimento de dimensionamento realizou-se considerando atendimento direto, em corrente alternada, às cargas do turno (07h30–16h30), e armazenamento apenas para manter freezers/geladeiras no período noturno. Adota-se para Manaus uma HSP (horas de sol pleno) média anual de 4,5 h/dia conforme dados SWERA/INPE apresentados por ANTÚNEZ (2013) e derating global de 20% ou 0,80 referentes a temperatura, sujeira, cabos e MPPT (NREL, 2014; IEA-PVPS T13). Rendimento típico do inversor em operação contínua de 0,94 para cargas diurnas e 0,92 para descarga noturna (CENELEC, 2010; JRC, 2007; PVSYST, 2024) e rendimento energético do ciclo da bateria de 0,90 (Sandia, 2016; DOE, 2015; NREL 2023).
Tabela 2: Referencias para o dimensionamento fotovoltaico
Em seguida, estimou-se a geração diária considerando o recurso solar local, as perdas técnicas e ambientais usuais do sistema e uma margem de segurança para variações sazonais. A partir dessas premissas, calculou-se a potência necessária do arranjo fotovoltaico, a quantidade de módulos, a configuração elétrica das strings e a distribuição por rastreadores de máxima potência, observando os limites de tensão e corrente definidos pelos fabricantes dos equipamentos. As fórmulas utilizadas nos cálculos foram obtidas e/ou adaptadas de publicações do NREL (2014, 2019), do JRC (2018), de SANDIA NATIONAL LABORATORIES e do UNITED STATES. DEPARTMENT OF ENERGY (2016), do IEA-PVPS (2021) e de documentação do fabricante JA SOLAR (2023), conforme apresentado nas Equações 1 a 7.”.
Equação 1: Energia FV para cargas diurnas
Equação 2: Recarga diária da bateria
Equação 3: Energia total que o campo deve produzir em CC
Equação 4: Energia de placa com derating
Equação 5: Capacidade nominal da bateria
Equação 6: Potência do arranjo
Equação 7: Quantidade de módulos
4.2. Materiais utilizados na aplicação do sistema
A partir deste ponto, se fez necessário definir os equipamentos a serem utilizados na implementação deste sistema e, posteriormente, a quantidade exata de cada um.
O inversor/carregador Victron Quattro 48/15000/200-100/100,entrega 15 kVA (12kW) de potência,converte a energia CC das baterias em CA para a escola e, quando há gerador, também recarrega o banco. Permite operação trifásica com três unidades e tem “PowerAssist” para ajudar nos picos de carga.
Figura 2: Inversor/carregador Victron Quattro 48/15000/200-100/100
Quanto ao controlador, o Victron SmartSolar MPPT RS 450/200é o equipamento que liga os painéis solares às baterias, regulando tensão e corrente para carregar com segurança. A tecnologia MPPT (Rastreador de Ponto de Máxima Potência) busca continuamente o ponto de máxima potência, aumentando o aproveitamento da luz solar.
Figura 3: Controlador Victron SmartSolar RS 450/200
O Módulo fotovoltaico que foi utilizado como referência é o JA Solar JAM72S30-550,o painel converte a luz do sol em eletricidade de corrente contínua. A partir de suas características elétricas foi possível determinar a quantidade de painéis a serem ligados em série ou em paralelo, garantindo funcionamento eficiente e seguro do sistema.
Figura 4: Módulo fotovoltaico 550W
Por fim, a bateria LiFePO₄ Pylontech US5000 (51,2 V; 4,8 kWh) é a unidade de armazenamento que guarda a energia solar para uso à noite ou em falta de sol. Possui sistema de gerenciamento (BMS) que protege contra sobrecarga e descarga excessiva, aumentando a vida útil e a segurança.
Figura 5: BateriaLiFePO₄ Pylontech US5000
Para o armazenamento, dimensionou-se a capacidade com base exclusivamente na energia essencial noturna, incorporando profundidade de descarga adequada e rendimentos dos conversores, de modo a otimizar custo e longevidade do banco. A potência eletrônica de condicionamento foi definida a partir do pico de demanda diurno, contemplando folgas para partidas, transitórios e eventual acréscimo moderado de carga. O balanceamento de sistema compreendeu a seleção e coordenação de proteções no lado de corrente contínua e de corrente alternada, seccionamento, compatibilização de condutores por corrente admissível e queda de tensão, aterramento e equipotencialização, assim como a observância das instruções dos fabricantes e das normas técnicas nacionais aplicáveis. Essa abordagem prioriza o uso do recurso solar no horário escolar e reduz a dependência do armazenamento, mantendo a continuidade do serviço nas condições operacionais previstas.
4.3. Arquitetura e Procedimentos do Protótipo Off-Grid
Utilizou-se um módulo fotovoltaico com tensão nominal 12 V de 10 W de potência, responsável pela conversão direta da irradiância solar em energia elétrica em corrente contínua (CC). O painel constitui a fonte primária do protótipo e opera como elemento de carga do controlador, fornecendo tensão e corrente que variam de acordo com a irradiância e temperatura. A integração elétrica é feita pelos condutores positivo e negativo do painel ligados, respectivamente, aos bornes positivo (+)e negativo (-) do controlador de carga.
Figura 6: Painel Solar 10W
Para o gerenciamento e controle entre módulo FV e bateria, foi utilizado um controlador do tipo PWM, 10 A, 12/24 V, que realiza o gerenciamento do fluxo energético entre o painel, o módulo de armazenamento (bateria) e as saídas de carga. A função deste dispositivo é limitar a tensão/corrente de carga da bateria, realizar o controle entre carga, armazenamento e descarga, bem como prover proteções contra curto-circuito, sobrecarga, descarga excessiva e inversão de polaridade. A integração elétrica ocorre em três portas: entrada PV que recebe conexão com o painel, porta BAT que alimenta a bateria e porta LOAD que seria um opcional para cargas CC ou para alimentar um conversor CC de até 5 V). O controlador foi energizado primeiro pela bateria, assegurando o reconhecimento do sistema em 12 V, e depois receber o painel.
Figura 7: Controlador de carga PMW 10A
Em seguida, adotou-se bateria chumbo-ácido selada 12 V e 5 Ah, que armazena a energia coletada e estabiliza o barramento CC, permitindo a operação do protótipo sob variação de irradiância. Sua função é fornecer autonomia e limitar oscilações de tensão na alimentação das cargas. A integração elétrica faz-se com a conexão direta aos bornes positivo (+)enegativo (-) do controlador, adicionando um fusível cilíndrico de vidro no polo positivo, o mais próximo possível do terminal da bateria para proteção da mesma.
Figura 8: Bateria selada 12V, 5Ah
Figura 9: Fusível cilíndrico de vidro 5A
Por fim, para a etapa em corrente alternada, foi utilizado inversor veicular 12 V, CC para 220 V, CA, forma de onda senoidal modificada, 500 W. Sua função é converter a energia do barramento de 12 V para 220 V, possibilitando a alimentação de pequenas cargas em CA. A integração elétrica é direta ao módulo de armazenamento, utilizando cabos de baixa resistência e um fusível dedicado no polo positivo do caminho até o inversor; o condutor negativo retorna ao polo negativo da bateria.
Figura 10: Inversor veicular 12V, 500W
Com todos os dispositivos conectados, o arranjo assume uma topologia direta e fácil de interpretar. O painel envia energia ao controlador PWM pelos bornes destinados a placa, enquanto a bateria de 12 V permanece ligada aos bornes destinados a bateria, que está sendo protegida por um fusível próximo ao terminal positivo, constituindo o barramento principal de uso. As cargas são prioritariamente atendidas a partir da bateria. Em corrente alternada, o inversor 12 V – 220 V conecta-se diretamente ao módulo de armazenamento, com fusível dedicado; em corrente contínua. O controlador atua gerenciando os estágios de carga da bateria e as proteções (curto-circuito, sobrecarga, descarga excessiva e inversão de polaridade).
Figura 11: Esquema do protótipo off-grid
4.4. Procedimento de Cálculo das Emissões de CO2
A estimativa parte do balanço energético do período de operação do gerador e aplica fatores de consumo específico de combustível e de emissão padronizados. De acordo com Fluke, s.d, define-se a potência ativa média durante a janela de operação como P e a energia entregue como E. Quando apenas a potência aparente S (em kVA) estiver disponível, calculase a potência ativa por P = S.FP, onde FP é o fator de potência; tal relação é a definição usual entre potência real (kW) e aparente (kVA).
A energia elétrica gerada no período é E = P . t, em que t é o tempo diário de operação. Alternativamente, quando houver dados de perfil de carga pode-se integrar
na ausência desses dados, adota-se a média por intervalo de operação conforme IPCC. 2006.
Para converter energia elétrica em volume de diesel consumido, utiliza-se o consumo específico do conjunto motor-gerador Ce(L/kWh), dependente do ponto de operação (carga parcial). Dados de fabricantes apresentam consumo em L/h por percentuais de carga, a partir dos quais obtém-se
Em faixas de 40–60% de carga, valores típicos de Ce situam-se em torno de 0,25 a 0,30 L/kWh coerentes com tabelas e folhas de dados de geradores a diesel, conforme dados apresentados por Cummins, 2022.
O volume diário de combustível é, então, Vdiesel = E . Ce (IPCC, 2006). As emissões diretas de CO₂ por combustão estacionária são estimadas pelo método geral (atividade x fator de emissão):
CO2 = Vdiesel . EFCO2,
onde EFCO2 é o fator de emissão do diesel (kg CO2/L) de acordo com IPCC, 2006; IPCC, 2019. Para a estimativa das emissões de dióxido de carbono provenientes da queima de diesel, adotou-se um fator de emissão médio de 2,68 kg CO₂/L, conforme coeficiente oficial da U.S. Energy Information Administration (EIA, 2024). Esse valor corresponde à quantidade de CO2 liberada por litro de diesel consumido em motores de combustão, considerando o teor de carbono e a densidade do combustível em condições padrão.
Quando disponíveis dados de consumo horário do modelo específico (L/h) no percentual de carga observado, pode-se estimar diretamente por
Para o fator de carga utilizamos
a taxa de consumo em L/h foi obtida por interpolação linear
e, para o consumo diário Vdiesel = L/h(LF) . t conforme (NIST/ITL, 1997) entre os pontos de 25% e 50% (1/4 e 1/2 na coluna prime) a partir da ficha (datasheet) do modelo Cummins C90 D5:
Figura 12: Datasheet Cummins C90 D5
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES
5.1. Levantamento das cargas da unidade e cálculo de demanda
Somando-se as cargas da Tabela 3, obtém-se a energia AC total de 24 horas igual a 239,791 kWh/dia, composta por 210,031 kWh/dia de equipamentos que operam apenas no horário de aula e 29,760 kWh/dia de refrigeração (geladeiras e freezers) que funcionam continuamente. Considerando que, no período noturno (12 h), a refrigeração será suprida pelo banco de baterias, a demanda noturna via baterias corresponde a 14,88 kWh/noite. Por consequência, a energia AC diurna atendida diretamente pelo campo fotovoltaico é de 224,911 kWh/dia (239,791 kWh/dia − 14,88 kWh/noite).
Tabela 3: Levantamento das cargas da unidade escolar
5.2. Aplicação do cálculo para dimensionamento fotovoltaico
Em seguida, estimou-se a geração diária considerando o recurso solar local, as perdas técnicas e ambientais usuais do sistema e uma margem de segurança para variações sazonais. A partir dessas premissas, calculou-se a potência necessária do arranjo fotovoltaico, a quantidade de módulos, a configuração elétrica das strings e a distribuição por rastreadores de máxima potência, observando os limites de tensão e corrente definidos pelos fabricantes dos equipamentos.
Energia FV para cargas:
Energia para recarga das baterias:
Energia total que o campo deve produzir em CC:
Energia de placa (com derating):
Potência do arranjo:
A filosofia de operação adota prioridade solar no período diurno e armazenamento para a refrigeração noturna. Aderiu-se o campo de 66,0 kWp para maximizar o atendimento diurno com alto fator de utilização dos conversores. A cobertura integral de dia + recarga para a noite é condicionada às condições de irradiância do dia. Em dias abaixo do limiar de projeto, o GMG entra apenas para completar a recarga e/ou atender parcela da noite.
Quantidade estimada de módulos:
Para a quantidade de módulos, utilizamos o valor comumente comercializado de 550Wp, sendo assim:
Definiu-se um arranjo de 120 módulos (=66,0 kWp). Essa potência foi escolhida por equilíbrio técnico-econômico e pela estratégia de atendimento parcial planejado: maximizar o suprimento diurno, reduzir o uso do GMG e conter o investimento em geração e eletrônica de potência.
5.3. Quantidade dos equipamentos de acordo com a demanda prevista
A potência de pico simultânea estimada para a escola considerando fatores de simultaneidade, ou seja, condição de operação simultânea dos equipamentos é de 27,8 kW, correspondente a soma dos os circuitos de iluminação, computadores, televisores e bebedouro, além da bomba d’água operando em paralelo e liquidificadores cujo uso é intermitente; adotou-se margem de 25% para partidas de compressores e transitórios, resultando em: Preq = 1,25 . 27,8 = 34,7kW. Se fez necessário três unidades Quattro 48/15000 em configuração trifásica, que fornecem aproximadamente 36 kW a 25 °C (30 kW a 40 °C), cobrindo Preq com folga e assegurando futura expansão.
Para os controladores fotovoltaicos arranjo foi definido em 15 strings (conjunto de painéis ligados em série) de 8 módulos (120 módulos, = 66,0 kWp). Cada controlador RS 450/200 possui quatro rastreadores independentes ou seja 4 MPPTs, cuja corrente máxima é de 16 A por tracker e potência de carga agregada de aproximadamente 11,5 kW em 48–52 V; alocando-se uma string por tracker, quatro unidades acomodam 16 strings (15 efetivas), mantendo
do módulo dentro do limite de cada tracker. A potência de carga total aproximadamente 46 kW é compatível com o perfil diário adotado, admitindo leve clipping (limitação da energia dos módulos pelo inversor) apenas em picos térmicos, o que é mitigado pelas perdas por temperatura e pelo fator de desempenho do campo.
A soma das potências nominais dos módulos fotovoltaicos é de 67 kWp; ao utilizar módulos de 0,55 kWp, a quantidade teórica é de 122 unidades. No entanto, adotou-se 120 para compor 15 strings de 8 módulos em série (aproximadamente 66,0 kWp).
Quanto ao banco de Baterias, para assegurar a autonomia noturna da refrigeração e 8 h de aulas em dia chuvoso (sem condicionadores de ar), considerou-se a energia diurna das cargas essenciais
e a noturna Enoite = 14,88 kWh, totalizando na saída CA ECA = 39,12 kWh. Corrigindo a eficiência do inversor em descarga, a demanda no barramento CC é
; adotando LiFePO₄ com fração utilizável aproximadamente 95%, a energia nominal requerida é
. Assim, adotou-se 10 módulos US5000, cada um com 4,8 kWh nominais, totalizando 48,0 kWh nominais e cerca de 45,6 kWh aproveitados.
5.4. Resultados Experimentais do Protótipo Off-Grid
Em um dia ensolarado, quente e sem precipitação, o protótipo foi instalado no quintal da minha residência em orientação direta ao sol, mantendo ventilação natural dos componentes. Após 15 minutos aguardando estabilização térmica dos componentes, foi conectado um carregador de celular cujo valor de entrada é de 100-240V e 0,9A e saída é de 5 V e 3 A à saída 220 V do inversor, alimentado diretamente pela bateria de 12 V e 5 Ah. Nessa condição, registrou-se no início do ensaio tensão do módulo de armazenamento de 12,62 V quando não havia carga conectada e 12,38 a 12,45 V ao conectar a carga, com corrente de entrada do inversor entre 0,65 e 0,80 A. O módulo fotovoltaico de 10 W, sob irradiância plena do meio-dia, forneceu de 0,45 a 0,55 A na porta FV do controlador, variando conforme pequenas oscilações de nuvem fina e ângulo de incidência. Assim, o balanço energético oscilou entre leve déficit e leve superávit: em momentos de pico solar, a bateria apresentou de 12,50 a 12,55 V com tendência de recuperação; em instantes de menor irradiância, observou-se uma queda até 12,30 V, sem acionamento de alarme por subtensão.
O carregamento do telefone foi mantido por 50 minutos, nesse período o indicador do aparelho passou de 28% para 54%. A temperatura do corpo do inversor permaneceu morna ao tato, sem odor de superaquecimento; bornes e cabos apresentaram um leve aquecimento considerado padrão devido as condições do ambiente, nada muito significativo. No final do ciclo, com o telefone desconectado, a bateria estabilizou em 12,49 V, indicando descarga líquida leve. Em termos qualitativos, o ensaio comprova a funcionalidade do fluxo
além de evidenciar o custo energético do estágio CA para uma fonte de apenas 10 W.
5.5. Estimativa de Emissões de CO2 Potência média no período de operação
Para Fator de carga em relação à potência na coluna prime do conjunto temos
Para consumo específico via curva do fabricante a planilha Cummins C90 D5 informa consumo em L/h por faixa de carga (prime):
Sendo assim, foi feita interpolação linear entre 25% e 50% do consumo horário.
Desta forma, temos:
Em seguida, para emissões de CO2:
Para a quantidade de CO2 emitidos semanalmente:
Por fim, para a quantidade de CO2 emitidos anualmente:
5.6. Comparativo Gerador x Sistema FV: Projeção de redução nas emissões de CO2
Gráfico 1: Emissões anuais de CO2 – baseline x cenários com PV
O gráfico 1 apresenta, de forma direta, a comparação entre as emissões anuais de CO2 no cenário de referência (baseline, sem sistema fotovoltaico) e os valores remanescentes quando parte da operação a diesel é substituída pela geração solar. A barra baseline estabelece o patamar de partida (= 47,72 t CO2/ano), enquanto as barras dos cenários com PV mostram quanto CO2 ainda seria emitido após a redução operacional do gerador. Assim, observa-se que, no cenário moderado (−75%), as emissões anuais caem para cerca de 11,93 t CO2, evidenciando uma redução substancial e persistente ao longo do ano letivo.
Gráfico 2: CO2 evitado por ano com PV
O segundo gráfico apresenta de forma isolada a quantidade de CO2 evitada por ano quando o sistema fotovoltaico reduz a operação do gerador a diesel. À medida que aumenta a cobertura do PV, cresce quase linearmente o volume de emissões não realizadas. Nos cenários exemplificados, a redução é de aproximadamente 23,86 t/ano para −50%, 35,79 t/ano para −75% e 42,95 t/ano para −90%. Esses valores derivam diretamente do patamar de referência anual (sem PV) e evidenciam a proporcionalidade entre a fração de substituição do GMG e o benefício ambiental obtido.
Gráfico 3: Composição anual de CO2 em cenário moderado (75%)
O terceiro gráfico apresenta a composição das emissões anuais no cenário moderado, em que o sistema fotovoltaico reduz em 75% a operação do gerador a diesel. Visualmente, o setor “evitado com PV” corresponde a três quartos do total anual sem PV, enquanto o setor “remanescente com PV” representa o 1/4 restante. Essa representação facilita a leitura do ganho ambiental: a maior porção do círculo indica, de imediato, a fração de emissões que deixa de ocorrer ao longo do ano letivo.
Gráfico 4: Evolução acumulada das emissões durante o ano letivo
Por fim, o gráfico de linha apresenta a evolução acumulada das emissões ao longo dos 248 dias letivos que foram utilizados como referência. A curva superior representa o cenário sem sistema fotovoltaico (baseline) e cresce de forma praticamente linear, pois adiciona, dia a dia, a mesma quantidade de CO₂ associada ao uso do gerador. A curva inferior corresponde ao cenário com o sistema fotovoltaico (redução de 75%), acumulando emissões a um ritmo muito menor. A distância vertical entre as duas linhas, que aumenta gradativamente ao longo do eixo do tempo, quantifica o benefício cumulativo do sistema proposto: quanto mais cedo o sistema é implantado e quanto maior a cobertura da geração solar, maior a diferença consolidada ao final do ano letivo.
6. CONSIDERAÇÕES FINAIS
A pesquisa confirma a viabilidade da integração fotovoltaica off-grid para atendimento parcial das cargas da escola. O estudo cumpre os objetivos de dimensionar o sistema com armazenamento e de quantificar a redução de CO₂ frente ao diesel. As hipóteses de diminuição da dependência do combustível, de mitigação de emissões e de incremento da confiabilidade se confirmam. O trabalho organiza premissas e parâmetros de projeto aderentes ao contexto amazônico. O roteiro proposto de levantamento de carga, seleção de equipamentos e estimativa de emissões se mostra replicável. A priorização de cargas e a gestão do armazenamento elevam o desempenho no período letivo e indicam ganhos operacionais e ambientais.
A principal limitação decorre da ausência de séries temporais medidas de demanda e de irradiância. Essa lacuna reduz a precisão das projeções e restringe a modelagem de eventos críticos. Recomendo a aquisição de dados com passo horário e relógios sincronizados. Recomendo a simulação detalhada do fluxo de potência, a análise de custos de ciclo de vida e a avaliação de operação híbrida com o gerador. Recomendo, ainda, estratégias de gestão da demanda, capacitação de usuários e monitoramento remoto. Essas ações fortalecem a operação, antecipam falhas e estabilizam o fornecimento em dias úteis.
Pesquisas futuras ampliam o escopo e aprofundam a evidência. Propõe-se a coleta anual de dados para capturar sazonalidade e calibrar modelos estocásticos. Propõe-se a otimização conjunta de campo fotovoltaico, banco de baterias e despacho do gerador para mínima emissão e menor custo nivelado. Propõe-se a avaliação de controle de microrede com resposta da demanda, shedding seletivo e previsão de carga e irradiância. Propõe-se a análise de resiliência frente a ilhas prolongadas, eventos climáticos e degradação de componentes. Propõe-se a avaliação de modelos de financiamento, logística de O&M na Amazônia e impactos pedagógicos do uso de energia estável. Propõe-se, por fim, a integração de diagnóstico remoto, detecção de falhas e indicadores de desempenho para orientar decisões em tempo real.
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DIAGRAMA DO SISTEMA FV
1Discente do Curso Superior de Engenharia Elétrica da Universidade Nilton Lins. e-mail: roryonrenzo26@gmail.com
2Docente do Curso Superior de Engenharia Elétrica da Universidade Nilton Lins. Mestre em Engenharia Industrial (FUNIBER), Doutoranda na Escola de Negócios do PPAD da PUC-PR. e-mail: erikacnmarques@gmail.com