REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.8017837
Guilherme da Silva Damasceno;
Pablo Gabriel Oliveira do Nascimento;
Ana Paula da Silva Mendes;
Victor Hugo Louback de Oliveira;
Vitor Gomes Pinheiro;
Patrícia Caroline Furtado Nobre;
Orientador: João Edson Leite Junior.
1. INTRODUÇÃO
Após anos de estudo, foram sendo descobertas novas tecnologias que vieram a fornecer energia elétrica aos diversos continentes espalhados ao redor do mundo. E com isso, foi inserida nos métodos de geração de energia a geração fotovoltaica.
A energia solar é uma forma de energia renovável que utiliza a luz do sol para gerar eletricidade ou calor. A tecnologia mais comum para aproveitar a energia solar é a utilização de painéis solares fotovoltaicos, que convertem a energia solar diretamente em eletricidade.
Os painéis solares fotovoltaicos são compostos por células solares feitas de materiais semicondutores, geralmente silício. Quando a luz solar atinge essas células, ela excita os elétrons e os empurra para uma camada de metal, gerando uma corrente elétrica que pode ser utilizada para alimentar aparelhos elétricos ou armazenada em baterias.
Todas essas tecnologias carregam consigo uma gama de especificações que precisam ser encaixadas de acordo com o perfil de cada usuário do sistema fotovoltaico. Sabendo disso, uma das primeiras coisas que o profissional precisa definir juntamente com o cliente é se o sistema será on-grid (conectado a rede), off-grid (desconectado da rede) ou híbrido. Híbrido é um método que junta as duas formas e tal método será tratado por meio deste, bem como o seu dimensionamento.
2. TEMA
Com a evolução humana, evoluíram também os métodos de geração de energia. Dessa forma os habitantes dos quatro cantos do mundo foram procurando cada vez mais utilizar novas fontes de energia.
Ainda que no Brasil a maior parte da população seja fornecida pelas concessionárias de energia que compram de usinas hidrelétricas, muitos habitantes brasileiros estão inovando e saindo do convencional. Os motivos da troca de fonte de energia são variados. Mas, a grande maioria opta pela mudança visando uma possível economia, tendo em vista que a energia hidrelétrica brasileira está cada vez mais cara.
Outro motivo que deve ser pautado é o meio ambiente. Alguns consumidores, embora poucos, escolhem um novo fornecimento que seja menos prejudicial ao meio ambiente. A energia solar é uma alternativa sustentável e limpa aos combustíveis fósseis, reduzindo as emissões de gases de efeito estufa e contribuindo para a mitigação das mudanças climáticas. Além disso, a energia solar é uma fonte de energia renovável e abundante, disponível em praticamente todo o mundo e pode ser utilizada tanto em residências como em grandes empreendimentos.
Apesar dos desafios, houve avanços na adoção de energias renováveis no Brasil, especialmente no setor de energia solar. Isso tem ajudado a reduzir a dependência de fontes de energia mais poluentes, como o carvão e o petróleo.
O uso da fotovoltaica, apesar de trazer economia e sustentabilidade, tem muitas particularidades e necessitam de dimensionamento correto. Além de apenas instalar, é necessário saber qual placa será, qual tipo de instalação, e qual material usado. Dentre as instalações temos: um grid, off grid e híbrido.
2.1. Redução dos custos de energia
A instalação de um sistema fotovoltaico pode reduzir os custos de energia a longo prazo, visto que a energia solar é gratuita e a manutenção dos painéis solares é relativamente baixa.
A energia solar vem sendo usada no Brasil como uma segunda alternativa de energia para aqueles que visam economia. Tal alternativa se faz presente tanto em empresas quanto em residências. A geração fotovoltaica tem sido procurada em massa não só pela economia que ela proporciona como também por ser proveniente de um recurso inesgotável e pouco prejudicial à natureza.
A Energia fotovoltaica tem sido um assunto muito comentado na atualidade devido aos excelentes resultados obtidos com a sua instalação, pois essa tecnologia traz benefícios em longo prazo. Ao fazer a instalação desse método de energia alternativa, os fornecedores apresentam qual é o melhor material a ser utilizado de acordo com as exigências do cliente em questão.
Tendo isso em vista, é possível afirmar que:
O aproveitamento da energia gerada pelo Sol, inesgotável na escala terrestre de tempo, tanto como fonte de calor quanto de luz, é hoje uma das alternativas energéticas mais promissoras para prover a energia necessária ao desenvolvimento humano. Quando se fala em energia, deve-se lembrar de que o Sol é responsável pela origem de praticamente todas as outras fontes de energia na Terra. Em outras palavras, as fontes de energia são, em última instância, derivadas, em sua maioria, da energia do sol. PINHO E GALDINO (pg.47, 2014).
De uns anos pra cá, a energia fotovoltaica tem sido muito usada pelo povo brasileiro. Essa fonte de energia atua como uma segunda alternativa para aqueles que procuram economizar nas contas de luz. Apesar de requerer um grande investimento, as placas solares estão sendo muito procuradas e o seu uso aumenta cada vez mais.
Ao passo que a eletricidade fornecida pelas concessionárias de energia tem ficado mais cara, os painéis fotovoltaicos, em contrapartida, aparecem cada vez mais como uma solução viável e acessível.
A insatisfação dos consumidores com os valores da energia hidrelétrica estimula a mudança da fonte de eletricidade, e a primeira opção dos clientes é a energia solar. E a utilização de painéis FV tem colecionado um índice de aprovação muito alto por parte dos clientes em relação à eficácia dos sistemas.
2.2 Fonte de energia limpa
A energia solar é uma fonte de energia limpa e não emite gases de efeito estufa ou outros poluentes durante a geração de eletricidade, o que ajuda a reduzir o impacto ambiental e mitigar as mudanças climáticas. Durante seu uso, a geração de energia não produz danos ao meio ambiente. Já na sua fabricação, traz algumas poluições, porém de forma controlável e bem mais eficaz em relação a outros métodos que vem sendo usado majoritariamente em todo o território nacional, por exemplo: aquelas que usam combustíveis não renováveis.
FIGURA 1- Painel solar, fonte de energia limpa
Nesse caso, um dos únicos pontos negativos para o meio ambiente trazido pela energia FV é no momento de sua fabricação, entretanto, mesmo assim ainda consegue ser de forma controlada e não reduz sua sustentabilidade:
A energia solar não polui durante seu uso. A poluição decorrente da fabricação dos equipamentos necessários para a construção dos painéis solares é totalmente controlável, utilizando as formas de controle existentes atualmente. (CAMILA, COUTINHO E GOMES, PG. 265, 2010).
Muitas pessoas procuram essa alternativa para economizar, entretanto há quem busque formas sustentáveis de energia e façam tal escolha pensando no meio ambiente e não só na economia que ela traz. Inclusive, a energia fotovoltaica é uma das apostas do governo para evitar o aquecimento global. De acordo com NEOSOLAR (2022): “o investimento em fontes solares é uma das principais medidas hoje tomadas por governos do mundo todo para combater o aquecimento global.”. Nessa ótica, além de trazer um bom custo benefício, ela também carrega uma sustentabilidade comprovada que vem sendo alternativa para o mundo todo.
2.3 Independência energética
A energia solar pode fornecer independência energética para as pessoas que vivem em áreas remotas ou que não têm acesso a redes elétricas ou até mesmo para aqueles que não querem mais continuar utilizando energia proveniente das concessionárias de energia. Porém, a independência energética total só é atingida no sistema off-grid, que não utiliza conexões à rede elétrica. Ou no sistema híbrido, que será dissertado melhor ao decorrer do texto.
Em todos os casos, os usuários que optam pela energia fornecida através de placas fotovoltaicas tem maior controle da forma que irá consumir, porém nos sistemas off-grid e híbrido, os consumidores podem dispor de energia a qualquer momento, mesmo quando a eletricidade da concessionária de energia falhar, pois todo o excesso de energia produzida, fica armazenado nas baterias, fazendo com que o cliente permaneça horas utilizando. Nesses dois casos, o cliente atinge o nível de independência energética plena.
2.4. Sistemas on-grid e off-grid
Após falar sobre a importância e vantagens da energia fv é imprescindível explicar que ela possui modelos diferentes que são escolhidos de acordo com as necessidades dos clientes. No básico, temos os sistemas on-grid e off-grid.
O sistema on-grid é conectado a rede e fornece energia para a casa a qual está alimentando e a energia excedente fica como um “desconto” para o cliente na sua conta de luz. De acordo com INTELBRAS BLOG (2021): “Neste modelo, a energia solar excedente é enviada para a rede de distribuição que, em troca, oferece uma compensação de créditos de energia solar na conta de luz.” Nesse sistema, caso a concessionária de energia tenha falta de luz, o cliente mesmo com painel FV também fica sem luz.
No sistema off-grid, ele já não apresenta conexões na rede elétrica. Ele é indicado para moradores da zona rural, que têm maior dificuldade ao acesso a redes elétricas. Ele funciona através de baterias, armazenando a energia produzida dentro das mesmas. E na falta de energia, o cliente que usa off-grid não precisa se preocupar, pois a energia armazenada nas baterias pode manter a luz funcionando longas horas, dependendo do quanto foi armazenado.
Figura 2- Comparativo Sistemas Off Grid e On Grid
2.4.1. Sistemas híbridos
Depois de entender melhor sobre os sistemas on-grid e off-grid, é dada a hora de falar sobre o sistema híbrido, que nada mais é do que uma junção dos dois.
No sistema híbrido, ele consegue funcionar tanto conectado a rede como também com baterias. ele consegue gerar energia elétrica através do sol e ao mesmo tempo armazenar as sobras em suas baterias, fazendo com que dessa forma o cliente não fique sem energia quando a concessionária falhar. mesmo que ele esteja conectado a rede, as baterias vão conseguir suprir suas necessidades quando necessário.
Figura 3- Sistema híbrido
Fonte: oca solar energia, 2021
2.5 Dimensionamento para aplicação de sistemas híbridos FV
O dimensionamento do sistema híbrido pode ser realizado através de softwares que analisam os sistemas de acordo com região, posicionamento, consumidor e etc. Mas no princípio são feitos cálculos para definir potenciais, capacidades e quantidade de painéis e assim sucessivamente.
Figura 4- Dimensionamento de sistema híbrido
Ex de cálculo com base no material da Elétrica e Cia, 2019:
- 1800w/5h= 372 Watts hora
5h= Irradiação solar.
- Com base nesse cálculo, sabemos que será necessário o uso de um ou mais painéis que gerem no mínimo 372W
No caso desse exemplo, serão usados dois painéis de 275W que somam 550w
- A potência do inversor é calculada somando a potência dos equipamentos e usar um inversor com capacidade maior que a calculada
Os equipamentos somados totalizam 465 wp
- A Capacidade das baterias é de acordo com a cap. dos painéis 550w/12v= 45a
45x5h= 225a
12V= Tensão nominal da bateria 5h= horas de irradiação.
2.6. inversor solar híbrido
Para que os sistemas fotovoltaicos híbridos possam funcionar, existem diversos componentes a serem instalados, e um deles é primordial para o pleno funcionamento da placa: o inversor. O inversor é responsável por converter a corrente contínua em corrente alternada. Não somente nos sistemas híbridos, mas também nos apenas on ou off grid, este item é indispensável para que o painel possa entregar os resultados esperados. O inversor utilizado nessa pesquisa é o “SM SERIES 2400-24.” . O inversor híbrido tem a função de operar com fonte de energia dos painéis solares e das baterias. Ou seja, o mesmo consegue funcionar tanto no modo on grid como no off grid.
No modo off-grid o inversor se comporta como uma fonte de tensão, conforme explanado por PORTAL SOLAR (2021): “No modo off-grid o inversor comporta-se como uma fonte de tensão, fornecendo alimentação para as cargas conectadas à sua saída.”. Já no modo on-grid ele mantém as funções do equipamento mesmo com a ausência da energia ou a oscilação da mesma. Conforme foi explanado pelo autor:
Nesse segundo modo de operação o inversor faz o papel de um nobreak, que é capaz de fornecer alimentação com energia proveniente das baterias quando nenhuma outra fonte de energia está disponível. No caso do inversor off-grid, diferentemente de um simples nobreak, as cargas podem ser alimentadas simultaneamente com energia das baterias e dos painéis solares. (PORTAL SOLAR, 2021)
Tal inversor, diferente dos inversos comuns que funcionam para apenas um dos modos, possuem entradas para placas fotovoltaicas e para bactérias. Os comuns possuem apenas uma entrada de acordo com o sistema. Um exemplo do funcionamento dos comuns:
Figura 5- Modos de operação on-grid (grid-tie) e off-grid de um inversor
Como mostrado, cada um possui apenas uma conexão que permite o funcionamento da placa e a conversão da corrente de acordo com o seu modelo. Já o híbrido tem duas conexões. O escolhido para tal pesquisa, funciona da seguinte forma:
Figura 6- Funcionamento do inversor SM SERIES 2400-24.
Tendo isso em vista, foi possível entender como sistemas fotovoltaicos híbridos conseguem funcionar de forma plena e sem complicações.
3. PROBLEMA
Cada dia mais os brasileiros têm apresentado problemáticas em relação ao uso da energia elétrica fornecida pelas concessionárias de energia. Seja pelo seu alto valor ou pela sua ineficácia em algumas situações. Por isso, o uso de energia fotovoltaica vem aumentando cada vez mais com o passar dos anos.
Porém, mesmo a eletricidade proveniente de placas FV apresenta alguns pontos negativos para quem consome. Por exemplo, no sistema on-grid, apesar de gerar energia para o usuário, quando ocorre um apagão na rede da concessionária, o consumidor também vai ficar sem eletricidade, mesmo com painéis solares. No sistema off-grid, caso o painel solar não gere energia suficiente para suprir as necessidades do cliente durante o dia todo, ele não poderá contar com a energia da rede da concessionária, visto que ele não estará ligado a nenhuma, apenas nas baterias do seu próprio sistema.
Com isso, o sistema híbrido veio para solucionar os casos onde o consumidor não pode ficar sem energia de forma alguma. Alguns exemplos: hospitais, centros de pesquisa, centros de pesquisa, supermercados, shoppings, entre outros. No caso do híbrido, o consumidor estará resguardado num momento de falha tanto da rede da concessionária, como na baixa produção das suas próprias placas.
4. OBJETIVOS
4.1 Objetivo geral
Demonstrar a importância da utilização da energia solar em sistemas híbridos.
Destacar o funcionamento do inversor híbrido e como ele pode ser útil em diversas formas, citando o dimensionamento desses sistemas. Além de ressaltar que a energia fotovoltaica é uma fonte de energia limpa e inesgotável, que vem tomando cada vez mais lugar no mercado.
4.2 Objetivos específicos
a) Descrever a importância e impactos positivos da utilização de sistemas fotovoltaicos;
b) Dimensionar um sistema fotovoltaico híbrido;
c) Relacionar as principais vantagens e desvantagens de sistemas híbridos e sistemas on grid;
5. JUSTIFICATIVA
Para evitar grandes problemas com a falta de energia, é necessário que ela esteja sempre disponível e sem falhas. Uma das formas de se tornar mais independente energeticamente é instalando placas fotovoltaicas. No entanto, mesmo tendo painéis fv, o consumidor ainda não está cem por cento resguardado. Por isso, ele necessita que seja feito um estudo de qual sistema atenderá melhor suas necessidades.
Há diversas formas de ser independente da eletricidade da rede elétrica da cidade, porém a que é mais segura para os consumidores que não podem ficar sem energia é através de sistemas FV híbridos. Essa alternativa vem sendo procurada com o objetivo de sanar problemas e não utilizar mais a energia elétrica produzida pelas hidrelétricas que alimentam as cidades.
A grande satisfação ocorre no momento que o consumidor não fica mais dependente e consegue desfrutar da sua eletricidade a todo momento sem se preocupar com eventuais apagões ou qualquer falha de energia na região em que está localizado. Sem contar na economia que a energia FV traz para o cliente.
Todo o investimento dos clientes mostra um retorno satisfatório e o mercado de energia fotovoltaica só vem crescendo ao passar dos anos.
6. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Para a dissertação do tema é de suma importância conceituar os sistemas fotovoltaicos, assim como abordar as suas vertentes, tanto em sentido amplo, quanto em sentido propriamente dito, para, então, chegar no tema principal deste projeto, que é o sistema híbrido e seu dimensionamento.
A pesquisa foi realizada com base nos mais diversos autores da área das engenharias, seguindo o tema e seus detalhes.
Os autores João Tavares Pinho (2014) e Marco Antonio Galdino (2014) enriquecem o aporte teórico, confirmando a importância da energia solar e sua fonte inesgotável de energia: o sol. Caroline Maria (2010), Diego Barreto Coutinho
(2010) e Vinícius Alves Gomes (2010) versam, na pesquisa, de acordo com os dados coletados, sobre o fato da energia proveniente do sol ser limpa e a menos prejudicial presente no cenário atual, situando o leitor sobre o quão importante a mesma é.
Estudar sobre os sistemas híbridos é importante pois ele está relacionado a área que mais vem crescendo dentro da engenharia, que é a energia fotovoltaica. Dessa forma, quanto mais conhecimento nessa área, mais vasto é o nicho que poderá ser trabalhado.
O sistema híbrido é versátil e pode atender diversos públicos, desde que os mesmos possam despender de um valor um pouco maior do que nos outros sistemas. Como ressaltado por Oca Energia (2021): “Sendo assim, é capaz de suprir falhas na rede de energia, seu uso pode ser até mesmo à noite, entre outras funções. Como resultado, proporcionam economia e uma maior segurança.”
7. METODOLOGIA
Inicialmente será desenvolvida uma pesquisa bibliográfica referente ao tema do projeto a fim de se obter maior familiarização com esta temática e ainda compreender o funcionamento do inversor solar SM 2400-24.
Posteriormente, será definido onde o sistema será instalado, incluindo a latitude e longitude, a inclinação e a orientação do telhado ou terreno, as sombras existentes e a quantidade média de radiação solar disponível na região, será definida a carga elétrica que será alimentada pelo sistema fotovoltaico, o projeto é finalizado com a escrita do relatório final e sua publicação.
A pesquisa foi de caráter exploratório, feita através de livros, artigos, sites, revistas e etc, com o objetivo de sanar todas as possíveis dúvidas acerca do tema abordado.
8. CRONOGRAMA
| 2023 | |||
| Março | Abril | Maio | |
| Revisão do Projeto junto ao Professor | X | ||
| Ajustes do Projeto | X | ||
| Coleta de dados | X | X | X |
| Elaboração da Versão Final do Trabalho | X | ||
| Ajustes finais do Trabalho e entrega | X |
9. REFERÊNCIAS
BANCO BV. Energia solar é limpa? entenda!. Banco BV, 2021. Disponível em: https://www.bv.com.br/bv-inspira/parceiro-solar/energia-solar-limpa.
BLOG INTELBRAS. Sistemas fotovoltaicos híbridos: o que são e o que diz a ANEEL. Blog intelbras, 2021. Disponível em: https://blog.intelbras.com.br/sistemas-fotovoltaicos-hibridos/.
CANAL SOLAR. O que é um inversor solar híbrido? Canal solar, 2022. Disponível em: https://canalsolar.com.br/o-que-e-um-inversor-solar-hibrido/.
ELÉTRICA E CIA. Dimensionamento e diagrama elétrico do sistema híbrido off-grid. Elétrica e cia, 2019. Disponível em:
MARIA, Caroline; COUTINHO, Diego Barreto; GOMES, Vinicius Alves. A utilização de painéis solares como forma de produzir energia limpa e renovável. Bolsista de Valor: Revista de divulgação do Projeto Universidade Petrobras e IF Fluminense, v. 1, p. 263-266, 2010. Disponível em: http://www.essentiaeditora.iff.edu.br/index.php/BolsistaDeValor/article/viewF ile/1829/ 1007.
NEO SOLAR. Independência energética: gerando a própria energia para casa e o carro. Neo solar, 2022. Disponível em:https://www.neosolar.com.br/blog/independencia-energetica/#:~:text=Esse% 20conceito%20defende%20que%2C%20com,autom%C3%B3veis%2C%20dis pensando%20os%20combust%C3%ADveis%20f%C3%B3sseis.
OCA ENERGIA. Sistema Fotovoltaica Híbrido: entenda o que é e suas aplicações. Oca Energia, 2021. Disponível em: https://www.ocaenergia.com/blog/energia-solar/sistema-fotovoltaico-hibridoentenda-o-que-e/.
Pinho, João Tavares. Galdino, Marco Antonio. Manual de engenharia. CRESESB,2014. Disponível em:<http://www.cresesb.cepel.br/publicacoes/download/Manual_de_Engenh aria_FV_2014.pdf>.
SOLAR FONTE. ON-GRID X OFF-GRID. Solar Fonte, 2018. Disponível em: http://solarfonte.com.br/blog/grid-x-grid.
WOLF TECHNOLOGY. Inversor Off Grid Híbrido Epever UPower-Hi UP3000 –50A MPPT – 48/110V, 2018. Disponível em: https://wolftechnology.com.br/produto/inversor-off-grid-hibrido-epever-upow er-hi-up3000-50a-mppt-48-110v/.