SOLAR ENERGY IN A CONSUMER UNIT IN THE ON-GRID PHOTOVOLTAIC SYSTEM
Cleuton César Ximenes de Lima
Discente da Pós Graduação em Sistema Fotovoltaico, Instituto de Ensino Superior Blauro Carodo de Mattos (FaSerra).
Jardel Claudino Pereira Professor
Orientador da FaSerra, Polo Manaus.
RESUMO
Os militares que servem nos pelotões especiais de fronteira, passam por inúmeras dificuldades devida o isolamento e a logística. Porém o problema maior enfrentado nesses pelotões é com a energia de elétrica, pois nesses locais não existem redes de distribuição. Desse modo, esta pesquisa tem como objetivo geral projetar sistema fotovoltaico off-grid, para implantação em uma residência (PNR) do pelotão especial de fronteira. E como objetivos específicos: Verificar a demanda de carga da residência; Especificar através do estudo a quantidade de painéis; Apresentar os equipamentos necessários para instalação e Apresentar os custos com implantação do sistema.O local escolhido para a realização do projeto de implantação do sistema fotovoltaico off-grid é uma residência e a estação rádio do pelotão especial de fronteira do EB, esse pelotão faz fronteira com os países, o local é bem isolado no meio da floresta e o projeto visa dimensionamento o sistema encontrando através de cálculo os matérias necessário, juntamente com o custo da implantação do sistema fotovoltaico. Por meio dos resultados conclui-se que, este estudo acerca do Sistema Off-grid é de extrema importância e plausível para ser implantado em um pelotão especial de fronteira do Exercito Brasileiro, onde sua implantação muitos benefícios como o aumento da carga da residência, melhorando as condições de vida das famílias, já que a energia elétrica é de importância vital para o desenvolvimento social.
Palavras-chave: Fotovoltaíco. Off-grid. Pelotões. Militares.
ABSTRACT
The soldiers who serve in special border platoons experience countless difficulties due to isolation and logistics. However, the biggest problem faced in these platoons is with electricity, as there are no distribution networks in these places. Therefore, this research has the general objective of designing an off-grid photovoltaic system, for implementation in a residence (PNR) of the special border platoon. As specific objectives: Check the load demand of the residence; Specify the number of panels through the study; Present the equipment necessary for installation and Present the costs of implementing the system. The location chosen to carry out the off-grid photovoltaic system implementation project is a residence and the radio station of the EB’s special border platoon, this platoon borders with the countries, the location is well isolated in the middle of the forest and the project aims to size the system by calculating the necessary materials, together with the cost of implementing the photovoltaic system. Through the results, it is concluded that this study on the Off-grid System is extremely important and plausible to be implemented in a special border platoon of the Brazilian Army, where its implementation offers many benefits such as increasing the load of the residence, improving the living conditions of families, since electrical energy is of vital importance for social development.
Keywords: Photovoltaic. Off-grid. Platoons. Military.
1. INTRODUÇÃO
Os sistemas de energia solar autônomo, não dependem e não são conectados a rede de distribuição de energia elétrica, sua autonomia dá-se através de baterias, que são carregadas por painéis solares, quando os painéis não produzirem energia devido a falta de isolação no local as baterias já carregada serão única fonte de energia elétrica, e para utilizar essa energia é preciso do inversor, ele converte a energia em corrente continua para corrente alternada podendo assim utiliza-se os equipamentos eletrônico (PEREIRA, 2006).
Nessa perspectiva, o presente trabalho é um projeto para implantação do sistema fotovoltaico off-grid, ou seja, sistema isolado, em uma residência do pelotão especial de fronteira do Exército Brasileiro.
Na realidade, os militares que servem nos pelotões especiais de fronteira, passam por inúmeras dificuldades devida o isolamento e a logística. Porém o problema maior enfrentado nesses pelotões é com a energia de elétrica. Nesses locais não existem redes de distribuição. A energia utilizada é da própria geração, atendida por meio de motor-gerador, que funciona somente por um período de 8 horas, devido o combustível ser racionado. Caso uma falha no motor gerador ocorra, pode levar dias até o conserto, com isso os alimentos das famílias e do próprio pelotão, necessitam de refrigeração, trazendo prejuízo por não ter outra fonte de energia.
O sistema fotovoltaico off-grid é ideal para atender comunidades isoladas, utilizados para regiões remotas e distantes, porque opera de forma isolada e autônoma, não depende de ligação com a rede elétrica. Toda a energia utilizada é produzida pelo próprio sistema instalado (fonte Portal Solar).
Quando o sistema de geração de energia convencional for desligado, pode-se aproveitar a energia do sistema fotovoltaico, para estender um pouco mais as horas de laser podendo assistir um programa de tv, utilizar ou carregar equipamentos eletrônicos etc.
Desse modo, esta pesquisa tem como objetibo geral projetar sistema fotovoltaico off-grid, para implantação em uma residência (PNR) do pelotão especial de fronteira. E como objetivos específicos: Verificar a demanda de carga da residência; Especificar através do estudo a quantidade de painéis; Apresentar os equipamentos necessários para instalação e Apresentar os custos com implantação do sistema.
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
O referencial teórico apresenta os que são pelotões especiais de fronteira, junto das principais definições do sistema solar fotovoltaico off-grid, verificando a região e seu potencial de irradiação para geração, com a posição e ângulo para melhor geração, conceitos e suas características, dos equipamentos, especificando os materiais para implantação do sistema (Fonte Portal Solar).
2.1. GERAÇÃO DE ENERGIA NOS PELOTÕES
No pelotão é possível observar que as dificuldades e o isolamento quando o assunto é integração das instituições do Estado brasileiro. O Pelotão de Maturacá teve a geração de energia elétrica drasticamente reduzida.
Segundo o levantamento da instituição, em todos os Pelotões foi contabilizado 38 geradores à combustão. Desses, apenas 16 estão em funcionamento, 13 são de marcas diferentes, o que dificulta a manutenção. A partir da instalação da matriz de energia solar para os Pelotões, esse problema será totalmente resolvido”, completou o Comandante Militar da Amazônia.
2.1.1. Energia Fotovoltaico
Os sistemas fotovoltaicos transformam a energia solar em energia elétrica por meio das células fotovoltaicas, que são interligadas entre si, formando assim um módulo fotovoltaico, cuja capacidade típica varia entre 50 e 325 Watt–pico (Wp). Os painéis são combinados e interligados a outros elementos como inversores e baterias dependendo do tipo de sistema que se deseja obter. Os sistemas fotovoltaicos apresentam algumas vantagens que vão além da produção com luz solar direta, onde há também a produção pela chamada componente difusa, permitindo dessa forma a produção de energia elétrica em dias nublados ou com pouca incidência solar (JOÃO, 2014).
O sistema fotovoltaico classifica-se em duas categorias, os sistemas fotovoltaicos isolados e os conectados à rede. Os dois sistemas podem atuar apenas com a energia solar, por meio do efeito fotovoltaico, como também a partir de uma ou mais fonte de energia, onde nesses casos, os sistemas são considerados híbridos. A principal diferença entre os dois tipos de sistemas, envolvem a questão do armazenamento, ou seja, o uso de baterias. Em se tratando de sistemas fotovoltaicos isolados, as baterias geralmente é o principal elemento armazenador de energia, para a utilização da mesma no período em que não há geração fotovoltaica.
2.1.2. Sistema Fotovoltaico Off- grid
O sistema Fotovoltaico Off-Grid é utilizado e recomendada para locais isolados nos quais se deseja gerar a própria energia elétrica. O sistema Off-Grid são autônomos (isolado), utilizam de placas solares e baterias estacionárias, controladores e inversores para atender ao consumo de energia, em locais onde não há rede elétrica disponível. O sistema funciona de forma autônoma e ao longo do dia, os painéis solares carregam as baterias, ambos foram dimensionando para atender à demanda da comunidade, enquanto à noite as baterias atuam fornecendo energia para o consumidor (Fonte Portal Solar).
Figura 1 – Sistema off-grid
Fonte: Osol, 2023.
Na figura 1, mostra a configuração de um sistema off-grid, constituído de painéis, o controlador de carga, baterias e o inversor que sua saída ligada na carga.
2.2. CÉLULAS FOTOVOLTAICAS
As células fotovoltaicas na maioria dos casos são produzidas a partir de silício que se trata do material mais comum para a produção das mesmas. Como o silício, em estado puro é um material com péssima capacidade de condução, faz-se necessário a dopagem, que se trata da inserção de impurezas onde se faz necessário a inserção de elementos como o boro e o fósforo, para que haja uma diferença de potencial entre as junções das duas camadas que compõe a célula.
A célula fotovoltaica é composta por duas camadas, sendo uma do tipo P em que as cargas são predominantemente positivas e outra do tipo N em que as cargas que predominam são as negativas. Na junção PN, os elétrons do lado N migram para o lado P, fazendo com que a camada N contenha cargas negativas, ocorrendo o mesmo processo do lado P, onde também há a movimentação de cargas. Quando ocorre a incidência solar na célula, há absorção de fótons necessários para a condução dos elétrons, onde ao se inserir uma carga externa ligando as camadas é possível obter-se a passagem de corrente elétrica.
2.2.1. Painel Fotovoltaico
O módulo solar fotovoltaico é a unidade básica do bloco gerador de energia, sendo este constituído das células fotovoltaicas construídas a partir das principais tecnologias existentes, onde se destacam: as de silício cristalino (c-Si) que são as mais tradicionais e com maior escala em nível comercial apesar do valor elevado de produção, e as de silício amorfo hidrogenado (a-Si) que se destacam pela aparência estética mais atraente e melhor desempenho em relação as outras em termos de produção de energia(PINHO, 2014).
Entre os principais parâmetros elétricos das células e dos módulos fotovoltaicos estão: tensão de circuito aberto, corrente de curto-circuito, fator de forma e eficiência.
- Tensão de circuito aberto (Voc): é a tensão medida entre os terminais de uma célula fotovoltaica quando não há passagem de corrente e onde é obtida a máxima tensão que ela pode produzir.
- Corrente de curto-circuito (Isc): é a máxima corrente medida na célula quando seus terminais tem uma tensão igual a zero, e pode ser obtida com um amperímetro curto-circuitando os terminais do módulo.
- Fator de Forma (FF): esse parâmetro é a razão entre a máxima potência produzida pela célula multiplicando-se a tensão de circuito aberto com a corrente de curto-circuito.
- Eficiência (η): é o parâmetro que demonstra quão eficiente é o processo de conversão da célula, relacionando a potência elétrica produzida pela célula pela potência da energia solar incidente.
A associação dos módulos fotovoltaicos pode ser feita de forma série ou paralelo dependendo da tensão e correntes desejados, onde a quantidade de módulos conectados em série ou paralelo e o tipo de arranjo irão definir a tensão de operação em CC e a corrente do gerador. Em termos de potência, a mesma consiste na soma nominal dos módulos individuais (PINHO, 2014).
2.3. CONTROLADORES PWM E MPPT
Os controladores PWM (Pulse Width Modulation) são os mais utilizados, pois apesar da menor eficiência se justificam pelo custo. Já os controladores MPPT (Maximum Power Point Tracking), possuem maior eficiência e são cerca de duas vezes mais caros.
A função do regulador de carga, é a de proteger as baterias de serem sobrecarregadas, ou descarregadas profundamente, e assim garantir, que toda a energia produzida pelos painéis fotovoltaicos, é armazenada com maior eficácia nas baterias.
Os controladores de carga possuem dispositivos que informam permanentemente sobre o estado de carga do sistema alertando o utilizador para que este possa adaptar a instalação às suas necessidades particulares, aumentando assim o tempo de vida útil das baterias (NEO SOLAR, 2023)
Existem quatros modelos de controlador, porém o que vai ser utiliza no sistema, o da figura 8, modelo, SLC – Em 12V ou 24V ou Auto (12/24V). Aplicável em sistema solar autônomos, em instalações compactas e simplificadas (UTILIZADO).
2.4. INVERSOR
O inversor é um elemento eletrônico que a partir de uma fonte de energia de corrente contínua (CC), fornece energia em corrente alternada (CA). As principais características que devem ser observadas nas especificações de um inversor são: forma de onda, distorção harmônica e eficiência na conversão da potência. A tensão de saída do inversor deve ter amplitude e frequência para alimentar as cargas desejadas
3. METODOLOGIA
Para realizar o projeto e implantação, foi feita uma pesquisa bibliográfica, cujo objetivo foi conhecer, mas sobre o assunto de sistemas fotovoltaico, e como pode-se gerar energia através dos recursos renováveis, a pesquisa foi exploratória e explicativa sobre material bibliográfico. Os procedimentos técnicos a serem utilizados são os de pesquisa bibliográfica, documental
4. IMPLEMENTAÇÃO DO PROJETO
O local escolhido para a realização do projeto de implantação do sistema fotovoltaico off-grid é uma residência e a estação rádio do pelotão especial de fronteira do EB, esse pelotão faz fronteira com os países, o local é bem isolado no meio da floresta e o projeto visa dimensionamento o sistema encontrando através de cálculo os matérias necessário, juntamente com o custo da implantação do sistema fotovoltaico.
4.1. ÁREA DE INSTALAÇÃO DO PAINÉIS FOTOVOLTAICOS
Na figura 2 é apresentada a face do telhado disponível para instalação dos painéis, e consequente dimensionamento do sistema off – grid. O telhado possui 4 m de largura de cada banda do telhado e 12 m de comprimento, portanto, 48 m².
Figura 02 – Telhado disponível para instalação dos módulos fotovoltaicos é 48 m²
Fonte: Próprio Autor, 2023.
As residências denominadas de (PNR), possuem 2 quartos, 1 sala, 1 banheiro, 1 cozinha, e a varanda. São moradias cedidas aos sargentos e oficias que são destacados até esses lugares.
4.2. LEVANTAMENTO DAS CARGAS
4.2.1. Consumo de carga da Residência
Para realizar o levantamento de carga da residência foi utilizado as cargas essências para manter, 1 geladeira, 4 lâmpadas 1 ventilador.
Nesta tabela 1, encontra-se a demanda das cargas essenciais da residência
Tabela 1 – Carga Básica
| Qtd | Descrição | Pot. Watt | Uso diário | Consumo diário |
| 01 | Ventilador | 100 W | 6 h | 600 W |
| 04 | Lâmpada de Led | 9 W | 4 h | 144 W |
| 01 | Geladeira simples | 200 W | 10 h | 2000 W |
| Potência total em (Watts) | 336 W | 2.744 Watts | ||
| Total em (Watts) | ||||
Fonte: Próprio Autor, 2023.
A soma das cargas básicas é de 2.744 watts/horas
4.2.2. Dimensionamento dos painéis
Dimensionar o número de painéis necessários para carregas as baterias que foram dimensionadas.
Para o projeto a ser dimensionado, será escolhido o módulo fotovoltaico Yingli YL140P-17b 140Wp, com as seguintes características.
A energia produzida e o número de painéis que utilizaremos.
Onde:
Ec = Energia consumida (2.744 watts);
EP = Energia produzida pelo módulo diariamente (Wh);
ES = Insolação diária (Wh/m²/dia, 4.500);
AM = Área da superfície do módulo (m²);
NM = Eficiência do módulo;
Np = Número de painéis;
Fórmula da energia produzida
(1)
Para encontrar o número de painéis foi utilizado a formula a seguir.
O sistema utilizará três conjunto de painéis, 1 conjunto em serie e dois conjuntos em paralelo.
4.2.3. Dimensionando o banco de baterias da residência
O banco de bateria vai armazenar a energia produzida que é necessária para o funcionamento dos aparelhos domésticos da residência, para encontra a quantidade de baterias é preciso seguir as formula abaixo:
Capacidade de energia armazenada na bateria;
EA = Energia armazenada (Wh);
Ec = Energia consumida na residência (2.744 watts/horas);
Pd = Profundidade da bateria (0,50);
(3)
Para 2 dias de autonomia
Número de baterias ligadas em série;
O banco de bateria deve ter a tensão de 24 V. Como o sistema é de 12V, temos:
NBS = Número de baterias ligadas em série
NBS = VBANCO / VBAT
(4)
Vai ser utilizado 1 conjunto de baterias ligadas em série.
Capacidade do banco de baterias;
CBANCO = Capacidade de carga do banco de baterias em Ampére por hora (Ah);
EA = Energia armazenada no banco de baterias (Wh);
VBANCO = Tensão da bateria(V);
Número de baterias da residência;
Considerando o uso da bateria de 170 Ah, pode-se utilizar o número de conjuntos de painéis conectado em paralelo.
NBP – Número de conjuntos de baterias ligados em paralelo;
CBANCO – Capacidade do banco de bateria;
CBAT – Capacidade da bateria(170Ah);
Vai ser utilizado 2 conjuntos de baterias em paralelo.
4.2.4. Dimensionamento do controlador de carga
O controlador utilizado é o modelo, SLC: Em 12V ou 24V ou Auto (12/24V). Aplicável em sistema solar autônomos, em instalações compactas e simplificadas.
Para encontrar o controlador utiliza-se a formula a seguir.
Onde:
ICONTR. = Corrente do controlador (I)
IPAINEL CURTO CIRCUITO = 8.4 A;
NPAINEL(3 módulos);
Fator de segurança 25%;
= (7)
Icontrol. = 25,2 x 1.25 = 31,5 A
Controlador indicado para o sistema pode ser de 30 A.
4.2.5. Dimensionamento do inversor
Potência dos aparelhos da residência é a potência do inverso, nesse caso é de 336 watts.
Tensão entrada = 12 a 24 volts
Tensão de saída = 120 V
Potência = 400 Watts
4.3. CUSTO NA IMPLANTAÇÃO DO SISTEMA OFF- GRID
Na tabela 2, mostra o custo do material para implantação do sistema off-grid.
Tabela 2 – Custo do sistema fotovoltaico
| Descrição do Material | Qtd | Custo Unit. | Custo total |
| Módulo fotovoltaico 140 Wp Yingli YL 140p – 17b(140Wp) | 06 | R$ 239,40 | R$ 1.436,40 |
| Controlador de Carga Ep solar VS3034A 30A 12/24 V | 01 | R$ 490,83 | R$ 490,66 |
| Inversor Xantrex Xpower450 (400W / 12Vcc / 120Vca) | 01 | R$ 409,00 | R$ 409,00 |
| Bateria Estacionária Freedom DF3000 (185Ah / 170Ah) | 6 | R$ 1.099,00 | R$ 6.594,00 |
| Cabo Solar Prysmian 6 mm | 100 m | R$ 0,74 | R$ 74,00 |
| DPS (fase/neutro) | 02 | R$ 53,00 | R$ 106,00 |
| Disjuntor 50 A | 01 | R$ 120,00 | R$ 120,00 |
| Suporte e Fixação Equipamentos | Necess. | R$ 130,00 | R$ 130,00 |
| Mão-de-Obra 30% do valor total | 01 | R$ 800,00 | R$ 800,00 |
| Frete | Conj. | R$ 400,00 | R$ 400,00 |
| Total R$ 10.560,06 | |||
Fonte: Próprio Autor, 2023.
4.4. DIMENSIONAMENTO DO CABEAMENTO ELÉTRICO
4.4.1. Corrente de curto-circuito
Corrente de curto-circuito (ISC) quando corrente de máxima potência (IMPP) no cabo principal será a mesma de cada módulo operando individualmente, ou seja, ISC = 8.4 e IMPP = 7,7 A.
4.4.2. Dimensionamento do cabo cc
Os cabos deverão suportar 1,25 vezes a corrente máxima que pode ser gerada pelos módulos fotovoltaicos, que a corrente é de 8,4 A, pois os cabos ficam expostos as intempéries e a radiação solar, ou seja, esses cabos devem suportar 1,25 vezes a corrente de curto-circuito:
O cabo de corrente continua terá a seção de 4 mm².
O cabo CC principal faz a ligação entre o módulo fotovoltaico e o inversor de frequência. Como o sistema dimensionado possui apenas uma string, a corrente que este cabo deve aguentar deve ser a mesma específica para o cabo de corrente contínua das fileiras ou seja:
4.4.3. Dimensionamento do cabo ca
De acordo com o manual do inversor de instalação o cabo de corrente alternada deve ter uma seção transversal de 4 mm².
4.4.4. Dispositivos de proteção
O DPS dever ser de classe II que é indicado para locais onde a instalação é menos sujeita á incidência direta de raios.
4.4.5. Disjuntores
Os disjuntores deverão ser dimensionados e instalados tanto para o lado CA e quanto para o lado CC. E conforme a norma ABNT 5410
4.5. DISPOSIÇÃO DO SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTÔNOMO
Figura 3, mostra como ficará a ligação do sistema off-grid, três módulos de painéis, três conjuntos de baterias, um controlador e um inversor.
Figura 03 – diagrama de instalação do sistema
| Bateria de 170 Ah, 12 V |
Fonte: Próprio Autor, 2023.
5. CONCLUSÃO
A manutenção do gerador, é feita logo pela manhã a equipe de manutenção verifica as condições do gerador, reabastecer, e a geração começa, permanece ligado quatro horas pela manhã e mais quatro horas à noite. É nesses momentos que o pelotão ganha mais vida as pessoas ligam seus aparelhos é uma festa. Nessas oito horas de energia revive-se algumas lembranças da vida urbana.
As aeronaves são de extrema importância à sobrevivência do pelotão sem ele seria bem dificultosa. Por isso, o abastecimento dos pelotões é a primeira prioridade quando a Aeronáutica disponibiliza suas aeronaves para a Força Terrestre naquela região.
Neste trabalho foi realizado um estudo acerca do Sistema Off-grid, onde tal sistema não possui retorno financeiro depois de algum tempo, porque sua geração é para lugares remotos e isolado não é possível a compensação de energia como no sistema on-grid, analise do estudo foi feito para ser implantado em um pelotão especial de fronteira do Exercito Brasileiro.
Com a implantação do sistema podendo ser mais robusto para toda carga da residência as famílias poderiam viver em melhores condições, já que a energia elétrica é de extrema importância para o desenvolvimento social.
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DA INDÚSTRIA ELÉTRICA E ELETRÔNICA. Propostas para Inserção da Energia Solar Fotovoltaica na Matriz Elétrica Brasileira. [S. l.]: 2012.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS – ABNT. Energia solar fotovoltaica: Terminologia. NBR 10899. Rio de Janeiro, 2013.
CENTRO DE PESQUISAS ELÉTRICA; CENTRO DE REFERÊNCIA PARA ENERGIA SOLAR E EÓLICA SÉRGIO DE SALVO BRITO. Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos. Rio de Janeiro: [S.n.], 2014. Disponível em <http://www.cresesb.cepel.br/publicacoes/download/Manual_de_Engenharia_FV_2014.pdf> Acesso em 03 de março de 2024.
ENERGIA PURA. Uma em cada dez pessoas na Alemanha já usa energia solar. São Paulo, 2013. Disponível em <https://www.energiapura.com/content/uma-em-cada-dez-pessoas-na-alemanha-já-usa-energia-solar> Acesso em: 02 março de 2024.
PINHO TAVARES JOÃO, Manual de Engenharia para sistemas fotovoltaico, Rio de janeiro 2014.
NEO SOLAR ENERGIA. Equipamentos para energia solar 2017. Disponível em <http://www.neosolar.com.br/loja/inversor-fronius-ig-plus-100v-1-8-000w.html> Acesso em: 01 abril de 2024.
OSOL, Equipamentos solares, http://www.osol.com.br/dimensionamento-de-sistema-solar-autonomo-off-grid/. Acesso em 02 de março de 2024. PEREIRA, Enio Bueno et al. Atlas Brasileiro de Energia Solar. São José dos Campos: INPE, 2006.