Sistema solar fotovoltaico na Amazônia

Análise da viabilidade técnica e econômica da implantação de energia solar na comunidade “Cidade Flutuante do Catalão”, no Amazonas.

O desenvolvimento humano atual está intimamente relacionado à energia elétrica. Comunidades situadas em localidades remotas que apresentam dificuldades de acesso à rede de energia elétrica e, mesmo aquelas que possuem acesso, sofrem com a precariedade de manutenção dessa rede. Os moradores dessas comunidades dependem da energia elétrica para satisfazer suas necessidades e melhorar o Índice de Desenvolvimento Humano (IDH) do município.

O Amazonas é o maior Estado do Brasil com área geográfica de 1.559.159,148 km², população de 4.001.667 habitantes, 2,57 hab/m² e que enfrenta enormes dificuldades de acesso à energia elétrica por parte da sua população interiorana, devido ao seu isolamento em relação a sua capital, a cidade de Manaus.

O município de Iranduba, localizado a 27 km de Manaus, compõe a região metropolitana, situado à margem esquerda do rio Solimões. A comunidade em estudo é conhecida como “Cidade Flutuante do Catalão”, faz parte do município de Iranduba e está localizada a 25 km de Manaus, no lago do Catalão, por via fluvial.

De acordo com [3]: “as casas flutuantes são feitas em madeira com poucas divisões internas e suspensas por grandes troncos de madeira que permitem a flutuação das mesmas, as habitações são presas por cordas em árvores para que a força do rio não as carregue conforme sua correnteza. Essa é uma alternativa muito funcional para a região, pois a habitação flutuante se adequa automaticamente às constantes cheias e vazantes do rio, indo de acordo com o ritmo das águas: se ela sobe, a habitação acompanha esse movimento, o mesmo ocorrendo quando chega a vazante, fenômeno chamado de ciclos das marés. Além disso, não são somente as habitações que são flutuantes, comunidades inteiras possuem essas características, com igrejas, escolas, restaurantes, feiras, tudo sobre troncos gigantes flutuando no rio”.

O fornecimento inadequado de energia elétrica às famílias da Comunidade do Catalão por conta de inúmeras interrupções ocasionadas por quedas de árvores e galhos, a interrupção constante de energia que abastece o Município de Iranduba, a necessidade de criar infraestrutura adequada para distribuição de energia elétrica às unidades consumidoras por meio de cabos interligados aos postes são fatores que justificaram a elaboração desse trabalho.

As constantes quedas de energia causam danos econômicos, financeiros e sociais aos moradores e comerciantes pelas perdas de gêneros alimentícios e avaria dos eletrodomésticos. Existe, ainda, o prejuízo no que tange à educação com a interrupção de aulas na única escola da comunidade.

A energia solar, além de ser limpa, inesgotável e não agride o meio ambiente, é ideal para localidades que têm dificuldades de acesso à energia elétrica convencional como é o caso da Comunidade do Catalão, que possui fornecimento precário de energia elétrica pela concessionária, sofre com a dificuldade de manutenção na rede de energia elétrica e com o deslocamento constante dos flutuantes devido à enchente e à vazante do rio.

Este tipo de energia requer um baixo custo de manutenção, além de ser totalmente modular, ou seja, o sistema gerador fotovoltaico pode ser projetado de acordo com a demanda e a necessidade do cliente, de forma a facilitar a instalação e não comprometer todo o sistema, garantido assim maior confiabilidade. O presente trabalho tem por objetivo realizar uma avaliação técnico-econômica de implantação de um sistema fotovoltaico isolado (autônomo) na referida comunidade.

Desenvolvimento da energia solar fotovoltaica no Brasil

A evolução da capacidade instalada e a respectiva energia solar fotovoltaica gerada no Brasil no período de 2014 a 2024 são apresentadas na Figura 1.

Observa-se que, conforme mostra a Figura 1, a estimativa de energia solar fotovoltaica gerada para a matriz energética brasileira pode alcançar 1.319 MWp. Estima-se, ainda, que em 2018 o Brasil deve estar entre os 20 países com maior geração deste tipo de energia, caso levado a contento o investimento nesta modalidade de energia. Este setor de energia deve movimentar cerca de R$ 100 bilhões e abastecer 2,7 milhões de pessoas com sistema fotovoltaico. A capacidade que, em 2016, foi de 23MW (0,02% da matriz energética brasileira) deve alcançar 7.000 MW (3% da matriz energética brasileira) em 2024, com aumento estimado de 104,4% ao ano durante este período.

O setor de energia solar fotovoltaica no Brasil foi impulsionado a partir de 2012, quando a Aneel publicou a RN 482/2012, que regulamentou a conexão e a compensação de geradores distribuídos. A partir daí esse setor energético vem se destacando dentro de dois grandes segmentos: a geração distribuída e a geração centralizada.

A geração distribuída abrange a instalação de sistemas solares fotovoltaicos em telhados e fachadas de edifícios residenciais, comerciais, industriais e públicos. A geração centralizada ganha impulso a partir de leilões centralizados. Nesta modalidade, grandes centrais de geração são contratadas para atender à demanda energética nacional. A Figura 3 apresenta o número de instalação de sistemas fotovoltaicos em geração distribuída no Brasil. Verifica-se que no período de 2014 a 2015, as instalações passaram de 332 para 1604, ou seja, um aumento de 383%. No período de 2015 a junho de 2016, essa capacidade aumentou para 3.811, o que representa um aumento de 138%. E em janeiro de 2017, a Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel) registrou 7.528 conexões. Em termos de potência instalada, a energia gerada pelo sol totaliza uma potência instalada de 57.606 KW.

Materiais e métodos

A metodologia utilizada para alcançar os objetivos específicos foi a realização de uma visita na “Cidade Flutuante do Catalão” no dia 23 de outubro de 2016 para efetuar um levantamento de campo. Quatro etapas nortearam o desenvolvimento deste trabalho.

Etapa 1 – Revisão bibliográfica

Nesta etapa foi realizada a revisão bibliográfica por meio de normas técnicas vigentes, a saber:

a) Norma Regulamentadora Nº 493, de 05 de julho de 2012 da Aneel: estabelece os procedimentos e as condições de fornecimento por meio de Microssistema Isolado de Geração e Distribuição de Energia Elétrica (MIGDI) ou Sistema Individual de Geração de Energia Elétrica com Fonte Intermitente (SIGFI) [6];

b) ABNT NBR 5410: estipula as condições adequadas para o funcionamento usual e seguro das instalações elétricas, ou seja, até 1.000 V em tensão alternada e 1.500 V em tensão contínua. Esta norma é aplicada principalmente em instalações residenciais e prediais [13];

c) NR 10: esta Norma Regulamentadora (NR) fixa as condições mínimas exigíveis para garantir a segurança dos empregados que trabalham em instalações elétricas, em suas diversas etapas, incluindo projeto, execução, operação, manutenção, reforma e ampliação e, ainda, a segurança de usuários e terceiros.

Etapa 2 – Levantamento de dados

Durante o levantamento de campo, foram coletados os dados necessários para a elaboração do projeto do sistema fotovoltaico, tais como: localização geográfica da comunidade, levantamento de carga e consumo energético de uma residência típica e quantificação da radiação solar global incidente. Verificou-se que a comunidade é composta por 106 casas com 110 famílias. Para o levantamento de dados da localização geográfica da Comunidade do Catalão foi utilizado um GPS. As coordenadas geográficas dessa localidade são: 03° 09’ 32,47” S e 59° 54’ 47,36” W.

A Figura 2 apresenta uma vista panorâmica da Comunidade do Catalão.

A Figura 3 apresenta uma residência típica da comunidade que apresenta cobertura adequada para instalação de um sistema fotovoltaico.

Para levantamento da irradiação solar da localidade foi utilizado o programa solarimétrico SunData. A Tabela 1 apresenta os dados contendo as insolações diárias médias mensais para os doze meses do ano coletadas pela Estação Meteorológica de Superfície (EMS), localizada na cidade de Manaus, que está distante 3,7 km da Comunidade do Catalão.

De acordo com os dados de irradiação levantados apresentados na Tabela 1, verificou-se que os meses de janeiro e maio apresentam os menores níveis de irradiação solar diária média mensal considerando o plano horizontal como referência. Para o plano inclinado igual à latitude temos que o mês de janeiro é o mês mais crítico, sendo HSP = 4,38 kWh/m².dia. A grandeza HSP (Horas de Sol Pleno) corresponde ao valor acumulado de energia solar ao longo de um dia. O programa fornece também os dados de irradiação solar no plano horizontal para localidades próximas para os doze meses do ano, conforme a Figura 4.

Com a utilização de GPS, foi verificado que a comunidade está na latitude 4º sul, portanto, a inclinação que melhor se adequa a inclinação do arranjo fotovoltaico é de 10º na direção norte, conforme a Figura 5. Este aumento de ângulo é para que não haja sobre os painéis o acúmulo de corpo estranho que venha comprometer a potência do gerador fotovoltaico.

 

Para realizar o levantamento de carga e consumo de uma residência típica da comunidade foram utilizadas as Equações (1) e (2). O Levantamento de Carga (LC) corresponde ao somatório das potências nominais de todos os aparelhos elétricos em uma instalação elétrica, conforme a Equação (1):

Em que:

LC: Levantamento de carga [kW];

Pe: potência nominal do aparelho elétrico [W].

O Consumo Médio Diário (CMD) corresponde ao somatório da energia consumida diariamente por cada aparelho de uma instalação elétrica, conforme Equação (2):

CMD: consumo médio diário [W/d];

Pe: potência nominal do equipamento [W];

Nmd: número médio de horas diárias de utilização do equipamento [W/d];

ηinv: eficiência do inversor [%];

ηbat: eficiência global da bateria [%].

Para dimensionamento inicial do projeto, foi considerado o valor do consumo médio de energia dos aparelhos eletrodomésticos levando-se em consideração quantas horas por dia ele é utilizado.

Vale ressaltar que este valor é estimado, pois o uso do aparelho pode variar de um dia para outro ou pode ser diferente de acordo com a pessoa que o utiliza. Alguns desses dados foram consultados e obtidos no site do Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica (Procel), ligado ao Ministério de Minas e Energia (MME). A Tabela 2 resume o levantamento de carga efetuado e o consumo calculado.

Etapa 3 – Dimensionamento e especificação

Nesta etapa, foi realizado o dimensionamento de materiais e equipamentos que compõem o projeto do sistema fotovoltaico, pesquisas em catálogos de fabricantes para obtenção de especificações técnicas e consulta em sites de fornecedores para cotação de preços (orçamento).

As equações (3) a (11) calculam os componentes principais (módulos fotovoltaicos, baterias, controlador de carga e inversor) que compõem o sistema fotovoltaico projetado.

Dimensionamento de Gerador Fotovoltaico (GFV)

Em que:

PGFV: Potência do Gerador Fotovoltaico [Wp];

HSP: Hora de Sol Pleno no Plano do Painel Fotovoltaico [h/d].

Em que:

NPFV: Número de painéis fotovoltaicos [painéis];

PPFV: Potência do Painel Fotovoltaico [Wp].

Dimensionamento do banco de baterias

(a) Capacidades de carga do banco de baterias

Em que:

CB: Capacidade do banco de baterias [Wh];

N: Número de dias de autonomia;

PDmax: Máxima profundidade de descarga da bateria;

fe: fator de envelhecimento da bateria;

ft: fator de temperatura da bateria;

CBI: Capacidade do banco de baterias [Ah];

VBB: Tensão do banco de baterias [V].

Em que:

NBS: Número de baterias ligadas em série;

Vbat: Tensão da bateria utilizada [V];

NBP: Número de baterias ligadas em paralelo;

Cbat: Capacidade de carga de cada bateria [Ah].

Em que:

CG: Corrente máxima do controlador de carga [A];

NPP: Número de painéis fotovoltaicos em paralelo;

Isc: Corrente de curto-circuito do painel fotovoltaico utilizado [A].

As Tabelas 3 a 6 apresentam o resultado do dimensionamento do gerador fotovoltaico, banco de baterias, controlador de carga e inversor, respectivamente.

A Figura 6 apresenta o diagrama de blocos do projeto do Sistema Fotovoltaico Isolado (SFI) dimensionado para uma residência típica da Comunidade do Catalão.

Características do sistema projetado

Painel fotovoltaico

a) Tipo: silício policristalino;

b) Quantidade células: 60 (6×10);

c) Potência nominal unitária: 260 Wp.

 

Banco de baterias

a) Capacidade unitária da bateria: 240 A.h;

b) Tipo de bateria: chumbo ácido estacionária;

c) Profundidade máxima de descarga da bateria: 50%;

d) Eficiência da bateria: 85%;

d) Tensão de alimentação do banco: 24V.

 

Controlador de carga

a) Corrente nominal: 40 A;

b) Possui o recurso do MPPT.

 

Inversor

a) Potência nominal de saída: 3 kW;

b) Eficiência: 90%.

O MPPT (Maximum Power Point Tracking – Rastreamento do Ponto de Máxima Potência) é um recurso do controlador de carga que tem a função de maximizar a produção de energia do painel fotovoltaico, proporcionando o maior rendimento possível do sistema.

No projeto proposto, para o cálculo da energia produzida pelos painéis fotovoltaicos, foi usado o método da insolação. Para este tipo de método, deve ser usado um controlador de carga com recurso de MPPT.

A tensão de alimentação da instalação dos aparelhos eletrodomésticos é de 127 Vca.

Etapa 4 – Análise dos dados

Nesta última etapa, foi realizada a análise da viabilidade técnica e econômica do projeto.

Resultados e discussões

Durante a visita de campo, foram evidenciadas as seguintes características da Comunidade do Catalão:

a) As casas são de madeira, possuem poucos cômodos e foram construídas sobre toras de madeira flutuantes de açacu;

b) O açacu dura décadas;

c) Os moradores possuem, em sua maioria, os seguintes eletrodomésticos: lâmpadas fluorescentes, televisão, ventilador, máquina de lavar roupas, geladeira, aparelho de som e ferro elétrico;

d) As instalações elétricas dos postes até as residências não obedecem às normas técnicas vigentes no tocante à prevenção de riscos de acidentes por choques elétricos e por descargas elétricas.

A Figura 7 apresenta suporte de madeira inadequado para sustentação dos cabos elétricos que faz parte das instalações elétricas das moradias. O ideal seria postes de madeira.

Pode-se observar, por meio da Figura 8, que a cabeação elétrica que interliga os postes às residências fica lançada e exposta na superfície do solo. O ideal que esses cabos elétricos ficassem enterrados no solo. Isso evitaria o risco de choques elétricos.

Na Figura 9, pode-se observar uma escada improvisada para subir no poste, que já está comprometido devido à ação de cupins. Não é aconselhável realizar os trabalhos em altura por conta das condições inseguras e precárias desse poste e da proximidade à rede de energia elétrica.

Análise técnica do projeto

Durante o levantamento do recurso solar da Comunidade do Catalão foi usada uma EMS da cidade de Manaus, pois o programa SunData não localizou uma EMS na cidade de Iranduba. Essa opção não compromete o levantamento de dados de insolação, pois a EMS de Manaus fica a 3,7 km da Comunidade. A presença de uma bateria ou de um banco de baterias num projeto de sistema fotovoltaico autônomo é necessária pelos seguintes motivos:

a) Proporciona fornecimento constante de energia para o consumidor;

b) Evita desperdício de energia gerada quando o consumo é baixo, permitindo seu armazenamento para uso posterior, nos momentos em que houver pouca ou nenhuma radiação, como no período da noite e nos dias nublados e chuvosos;

c) O banco de baterias é necessário para estabilizar a tensão fornecida aos equipamentos ou ao inversor eletrônico.

Em qualquer projeto de sistema fotovoltaico não é recomendável o uso de baterias automotivas convencionais. Aplicações fotovoltaicas exigem o uso de baterias estacionárias. O quadro 1 apresenta as diferenças técnicas entre esses dois tipos de baterias referentes às aplicações fotovoltaicas.

No projeto, foi indicada a bateria de chumbo ácido estacionária com eletrólito líquido, pois este tipo é muito difundido no mercado devido ao seu custo reduzido e é o mais empregado nos sistemas fotovoltaicos autônomos. O banco de baterias foi dimensionado para alimentar o consumo durante dois dias, caso não haja produção de energia em dias chuvosos ou nublados.

Para uma quantidade de dias maiores, o custo do sistema fica elevado. Os fatores de envelhecimento (fe) e temperatura (ft) das baterias não foram considerados nos cálculos do projeto, pois encarecia demais o projeto.

Como a localidade possui boas condições de insolação e a falta de energia elétrica dura, em média, dois dias, o dimensionamento do banco de baterias atende à demanda da unidade consumidora.

Análise econômica do projeto

Verificou-se que o custo da energia solar se torna viável para esta comunidade por ser uma energia sustentável de menor impacto ambiental, limpa e de fácil manutenção. Segundo [19], “O sistema é de simples operação e baixo custo de manutenção, já que não demanda grande quantidade de material. Praticamente, limita-se à troca de baterias a cada três anos, além do prazo de garantia dos módulos solares ser entre 20 e 25 anos”. O custo de implantação do sistema convencional de rede elétrica do Programa Luz para Todos, do Governo Federal, torna-se mais caro e agride o meio ambiente com abertura de ramais e com a sua manutenção deficitária.

Em sua Nota Técnica nº 032 de 12/12/2012, a concessionária Amazonas Distribuidora de Energia S.A. propôs em sua revisão do Plano de Universalização da área rural do Amazonas, o atendimento a 90.643 ligações, num montante de investimentos de R$ 3,7 bilhões, tendo como meta de universalização o ano de 2021. Verifica-se que o valor do investimento do serviço elétrico tradicional dividido pela quantidade de ligações chega ao valor de R$ 40.819,47 por residência, sendo superior aproximadamente 18,62% (R$ 6.408,47) em relação ao valor do projeto da Comunidade do Catalão, que é de R$ 34.411,00. Além disso, o sistema de energia solar proporciona menor impacto ambiental e baixo custo de manutenção, assim como possui uma vida útil dos painéis fotovoltaicos de aproximadamente 25 anos.

Esse projeto pode ser pago em 18 anos por meio de parcelas mensais, ficando assim um ganho de sete anos, sem levar em conta os acréscimos que poderão ocorrer na fatura de energia elétrica convencional, aumentando a economia no referido período.

Vale ressaltar, ainda, a praticidade, a mobilidade e a redução de acidentes durante os períodos de cheias e vazantes do rio com a implantação desse sistema.

Conclusões

Verificou-se que é possível, conforme os procedimentos e as condições de fornecimento de energia elétrica descritos na RN nº 493/2012, o projeto de um sistema fotovoltaico tipo SIGFI como alternativa para fornecimento de energia elétrica para localidades isoladas.

Para exemplificar o estudo de viabilidade de implantação de energia solar na Comunidade do Catalão, no interior do Amazonas, optou-se por um projeto que contém o dimensionamento e as especificações técnicas de componentes de um SIGFI destinado ao atendimento de uma Unidade Consumidora (residência) dessa Comunidade e que teve o seu objetivo alcançado de acordo com o método proposto.

Neste contexto, a utilização de energia solar fotovoltaica na referida Comunidade mostrou-se técnica e economicamente viável, o que reduziria os impactos ambientais e os valores das faturas de energia elétrica dos consumidores locais.

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Referências

[1] INSTITUTO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA E ESTATÍSTICA. Disponível em: <http: //www.ibge.gov.br. Levantamento divulgado em 28 de agosto de 2015.

[2] INSTITUTO DE PROTEÇÃO AMBIENTAL DO AMAZONAS

[3] Espaço Viva Mais – www.espacovivamais.com.br.

[4] Pinho, João Tavares (Org.); Galdino, Marco Antônio (Org.). Manual de Engenharia para sistemas fotovoltaicos. 2. ed. rev. e aum. Rio de Janeiro: [s.n.], 2014.

[5] Ramos, M.P. Dimensionamento e Especificação Técnica de Microssistema Isolado de Geração e Distribuição de Energia Elétrica de Usina Fotovoltaica com Simulação Computacional. 2015. 77p.

[6] AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA. Resolução Normativa 493

[7] AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA. Resolução Normativa 482

[8] AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA. Resolução Normativa 687

[9] Portal Solar – http://www.portalsolar.com.br

[10] IEA – International Energy Agency. Technology Roadmap: Solar Photovoltaic Energy.

[11] EMPRESA DE PESQUISA ENERGÉTICA. Plano Decenal de Energia – PDE 2024 [12] MINISTÉRIO DAS MINAS E ENERGIA. Disponível em: ˂http://www.mme.gov.br˃

[13] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5410: Instalações elétricas de baixa tensão. Rio de Janeiro:2004.

[14] MINISTÉRIO DO TRABALHO E EMPREGO. NR-10: Segurança em instalações e serviços em eletricidade. Portaria MTE 598/2004

[15] Google Maps.

[16] SUNDATA. Potencial Solar.

[17] Programa de Conservação de Energia Elétrica – PROCEL INFO

[18] Villalva, M.; Gazoli, J. Energia Solar Fotovoltaica: Conceitos e Aplicações. São Paulo: Érica, 2012.

[19] Guascor Solar do Brasil – <http://www.guascor.com.br>

[20] AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA – www.aneel.gov.br

*Por Carlos Fontinelle, Elton da Silva, Marco Silva, Rosalice Mello, Telma Lopes, Davi Brasil e Petrus Júnior