Desenvolvimento e implementação de sistema fotovoltaico para aplicação em situação empresarial

Inês Francisco de Figueiredo Desenvolvimento e Implementação de Sistema Fotovoltaico para Aplicação em Situação Empresarial Desenvolvimento e Implementação de Sistema Fotovoltaico para Aplicação em Situação Empresarial Inês Francisco de Figueiredo UMINHO I 2021 dezembro de 2021 Inês Francisco de Figueiredo Desenvolvimento e Implementação de Sistema Fotovoltaico para Aplicação em Situação Empresarial Dissertação de Mestrado Mestrado Ciência e Tecnologias do Ambiente-Energia Trabalho realizado sob orientação do Professor Doutor Mário Rui Cunha Pereira E do Engenheiro Paulo Pinheiro dezembro de 2021 ii DIREITOS DE AUTOR E CONDIÇÕES DE UTILIZAÇÃO DO TRABALHO POR TERCEIROS Este é um trabalho académico que pode ser utilizado por terceiros desde que respeitadas as regras e boas práticas internacionalmente aceites, no que concerne aos direitos de autor e direitos conexos. Assim, o presente trabalho pode ser utilizado nos termos previstos na licença abaixo indicada. Caso o utilizador necessite de permissão para poder fazer um uso do trabalho em condições não previstas no licenciamento indicado, deverá contactar o autor, através do RepositóriUM da Universidade do Minho. Licença concedida aos utilizadores deste trabalho [Caso o autor pretenda usar uma das licenças Creative Commons, deve escolher e deixar apenas um dos seguintes ícones e respetivo lettering e URL, eliminando o texto em itálico que se lhe segue. Contudo, é possível optar por outro tipo de licença, devendo, nesse caso, ser incluída a informação necessária adaptando devidamente esta minuta] Atribuição-NãoComercial-SemDerivações CC BY-NC-ND https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ [Esta é a mais restritiva das nossas seis licenças principais, só permitindo que outros façam download dos seus trabalhos e os compartilhem desde que lhe sejam atribuídos a si os devidos créditos, mas sem que possam alterá-los de nenhuma forma ou utilizá-los para fins comerciais.] iii Agradecimentos Em primeiro lugar, um grande obrigado à “mui” nobre Universidade do Minho por me ter acolhido durante todos os anos do meu percurso académico. Durante cinco anos ela foi a minha casa e que maravilhosa aventura eu nela vivi. Estou também imensamente agradecida a todos os meus professores e professoras, especialmente ao Doutor Mário Rui Pereira, meu orientador académico, que me acompanhou e apoiou durante toda a realização desta dissertação. Obrigada à empresa DAPE e ao Eng. Paulo Pinheiro por me terem acolhido e dado esta grande oportunidade de conhecer e observar de perto os meandros de uma empresa de energia solar. Um grande carinho vai também para a minha mãe e o meu pai que sempre estiveram do meu lado, não me deixando desistir e sempre acreditando que eu iria conseguir. Foi um percurso difícil, com muitos percalços e entraves, mas orgulho-me imensamente de poder dizer “consegui!”. iv DECLARAÇÃO DE INTEGRIDADE Declaro ter atuado com integridade na elaboração do presente trabalho académico e confirmo que não recorri à prática de plágio nem a qualquer forma de utilização indevida ou falsificação de informações ou resultados em nenhuma das etapas conducente à sua elaboração. Mais declaro que conheço e que respeitei o Código de Conduta Ética da Universidade do Minho. Inês Francisco de Figueiredo v Desenvolvimento e Implementação de Sistema Fotovoltaico para Aplicação em Situação Empresarial Resumo O aumento exponencial ao longo dos últimos anos das necessidades energéticas mundiais devido ao elevado crescimento populacional associado à preocupação com o declínio da estabilidade ambiental e com a alteração do clima, têm provocado uma demanda por novas formas de produção de energia recorrendo a fontes renováveis. A energia solar fotovoltaica e a energia eólica destacam-se no leque das renováveis como as mais promissoras e utilizadas e já representam um peso considerável na produção de energia elétrica global. A presente dissertação tem como objetivo explorar um projeto de um sistema fotovoltaico para autoconsumo e venda de excedente à rede, a ser implementado numa empresa de calçado, abordando as etapas da sua pré-conceção e dimensionamento e posteriormente a sua implementação, passando pela avaliação da sua viabilidade económica e o custo do ciclo de vida do sistema. Palavras – chave: Energia solar, energia fotovoltaica, on-grid, autoconsumo, poupança energética, fonte renovável. vi Development and Implementation of Photovoltaic System for Application in Industry Abstract The exponential increase over the last few years of the world's energy needs due to high population growth associated with concerns over the decline in environmental stability and climate change have led to a demand for new forms of energy production using renewable sources. Solar photovoltaic and wind energy stand out in the range of renewables as the most promising and used and already represent a considerable weight in global electricity production. This dissertation aims to explore a project of a photovoltaic system for self-consumption and sale of surplus to the grid, to be implemented in a footwear company, addressing the stages of its preconception and sizing and then its implementation, through the evaluation of its economic viability and the life cycle cost of the system. Keywords: Solar energy, photovoltaic energy, ongrid, self-consumption, power saving, renewable source. vii Índice Capítulo 1 ................................................................................................................................ 1 1. Introdução ....................................................................................................................... 1 1.1. Estrutura da Dissertação ............................................................................................... 4 Capítulo 2 ................................................................................................................................ 5 2. Energias Renováveis ......................................................................................................... 5 2.1. Energia Solar ............................................................................................................. 8 2.1.1. Conceitos de Heliotecnia .................................................................................. 11 Capítulo 3 .............................................................................................................................. 13 3. Geração de Energia Elétrica ............................................................................................ 13 3.1. Efeito Fotoelétrico .................................................................................................... 13 Capítulo 4 .............................................................................................................................. 15 4. A célula solar fotovoltaica ............................................................................................... 15 4.1. Efeito Fotovoltaico ................................................................................................... 15 4.1.1. Semicondutores ............................................................................................... 16 4.1.2. Estrutura da célula fotovoltaica ........................................................................ 16 4.2. Processo de conversão de energia solar em eletricidade .......................................... 17 4.3. Modelo Matemático da Célula FV ............................................................................. 20 Capítulo 5 .............................................................................................................................. 22 5. Componentes de um Sistema FV .................................................................................... 22 5.1. Módulos FV ............................................................................................................. 22 5.1.1.1. Silício Monocristalino (c-Si) ........................................................................... 24 5.1.1.2. Silício Policristalino (mc-Si) ........................................................................... 25 5.1.1.3. Filmes Finos (Thin Films) ............................................................................. 26 5.1.1.4. Silício Amorfo (a-Si) ...................................................................................... 26 5.1.2. Associação de Módulos ....................................................................................... 27 1 Capítulo 1 1. Introdução A ausência de uma oferta segura de energia a preços acessíveis ameaça o setor energético de todo o mundo, ao mesmo tempo que os sistemas de geração de energia através do uso de combustíveis fósseis e o consumo excessivo provocam danos graves e irreversíveis no ambiente e no clima [1]. O constante aumento do preço da eletricidade expõe a fragilidade em que se encontra o sistema energético mundial, impactando diretamente o desenvolvimento económico, pelo que urge estabilizar a curva da oferta no mercado energético através de preços de energia mais acessíveis [2]. Nos últimos anos a consciencialização ambiental tem pesado mais nas escolhas e decisões das grandes potências mundiais. Uma dessas decisões recai sobre como suprir as necessidades energéticas de forma mais sustentável. De modo a tentar reduzir o uso de combustíveis fósseis que contribuem diretamente para o efeito de estufa e consequentemente para o aquecimento global, a utilização de energia proveniente de fontes renováveis tem sido cada vez mais frequente. Em 12 de dezembro de 2015, mais de 127 países da União Europeia, incluindo Portugal, reuniram-se na criação do acordo de Paris, um conjunto de medidas que visam reduzir as emissões em 55% até 2030, e tornar a União Europeia na primeira sociedade e economia com impacto neutro no clima em 2050 [3]. Passados quase 6 anos, o Acordo de Paris não foi capaz de desacelerar o aquecimento global, no entanto, contribui em larga escala para a progressão da passagem de uma matriz energética focada nos combustíveis fósseis para uma com baixas ou zero emissões de carbono, proveniente de fontes de energia renovável. Graças ao acordo, Portugal foi capaz de alcançar positivamente vários dos seus objetivos, nomeadamente: - o término do uso de carvão para a produção de energia em duas centrais termoelétricas; - foram produzidos mais de 2,231 MW de energia através de fontes renováveis, cuja utilização aumentou em cerca de 5,5% nos últimos anos; - o leilão solar em Portugal bateu o recorde mundial ao leiloar o kWh por 11,14€; - a intensidade energética desceu 16% e a intensidade carbónica desceu 20% [4]. 2 Este fomentar do uso de renováveis, nomeadamente a geração de energia elétrica através do aproveitamento da energia solar veio criar a necessidade de tirar o melhor proveito desta fonte de energia. Em 2010 foi também acordado o plano estratégico designado por “Europa 2020”, que estabelecia um conjunto de medidas com o objetivo de fomentar o crescimento económico. No plano da energia, estas medidas determinam especialmente 3 metas, designadas como “20-20-20”, números que representam os seguintes objetivos: - redução de 20% nas emissões de gases de efeitos de estufa comparativamente aos níveis registados em 1990; - aumentar o consumo de energia proveniente de fontes renováveis em 20%; - melhorar a eficiência energética da União Europeia em 20%. Em suma, podemos definir o principal objetivo deste plano estratégico como a utilização de 20% da energia a partir de fontes renováveis.[5]. Em 2014 o ministério do ambiente criou nova legislação que permite a venda do excedente gerado à rede elétrica pública, o que trouxe novas possibilidades para os consumidores, sejam eles particulares ou empresas, possibilitando um uso da energia gerada pelos painéis em detrimento da energia fornecida pela rede, o que se pode refletir numa redução significativa da fatura da eletricidade. Esta particularidade tem criado novas possibilidades e interesses por parte dos consumidores em adotarem estes sistemas de geração de energia elétrica e adaptá-los nas suas habitações e/ou empresas. A presente dissertação tem como objetivo destacar a energia solar dentro do ramo das renováveis para a geração de energia elétrica, e analisá-la em toda a sua aplicabilidade através do dimensionamento de um sistema fotovoltaico para utilização a nível empresarial. Grande parte das indústrias possuem necessidades energéticas muito elevadas devido a toda a maquinaria que utilizam na produção, o que corresponde a faturas de eletricidade muito dispendiosas. Esta empresa, doravante denominada por “Empresa X” para salvaguardar a identidade do proprietário, tal como muitas outras, decidiu optar por uma forma de geração de energia elétrica mais sustentável e económica, de forma a reduzir a fatura da eletricidade e aumentar a rentabilidade da produção. Deste modo, esta dissertação irá abordar todos os pontos do dimensionamento do sistema fotovoltaico mais indicado para suprimir as necessidades 3 energéticas desta empresa, avaliar os custos de investimento do sistema e por fim, analisar toda a poupança que o dono da empresa irá conseguir com a sua mudança energética. 4 1.1. Estrutura da Dissertação A presente dissertação é composta por mais 10 capítulos para além do primeiro. Os capítulos são estruturados da seguinte forma: O Capítulo 2 aborda o tema das energias renováveis, salientando algumas medidas para a mitigação das alterações climáticas e como as renováveis representam um massivo contributo nessas metas; O Capítulo 3 aborda o fenómeno do efeito fotoelétrico, e a importância deste na geração de energia elétrica; O Capítulo 4 aborda a estrutura de uma célula fotovoltaica e o correspondente efeito fotovoltaico, fenómeno de extrema importância no processo de geração e conversão de energia; O Capítulo 5 recai sobre os componentes necessários para constituir um sistema solar fotovoltaico, abordando principalmente as associações entre os módulos fotovoltaicos; O Capítulo 6 compara os sistemas autónomos com os sistemas acoplados à rede (que é o caso do presente projeto), referindo as suas diferenças e aplicabilidades; O Capítulo 7 aborda a legislação portuguesa relacionada com a exploração fotovoltaica, assim como as condições obrigatórias para se possuir um empreendimento fotovoltaico em Portugal; O Capítulo 8 refere-se ao caso de estudo do projeto que levou a cabo a presenta dissertação, abordando todo o processo de dimensionamento, assim como os detalhes dos componentes escolhidos; O Capítulo 9 aborda toda a análise financeira do empreendimento, nomeadamente os custos iniciais de instalação e os gastos e benefícios ao longo do tempo de vida útil do sistema; O Capítulo 10 aborda o tema de perspetivas futuras possíveis para a exploração fotovoltaica e como esta pode melhorar e contribuir para uma descarbonização total da indústria; O Capítulo 11 refere-se à bibliografia utilizada para a realização da presente dissertação. 5 Capítulo 2 2. Energias Renováveis Os efeitos das alterações climáticas são cada vez mais evidentes no planeta Terra, e cada vez levantam mais preocupações no seio dos governos de todo o mundo. De forma a mitigar estes efeitos, têm sido estipuladas metas para redução das emissões de gases que tanto contribuem para estes efeitos. Uma dessas metas, como já foi referido anteriormente, é a que consta do acordo de Paris, que estabelece uma redução para “net zero” de emissões nos sistemas de energia até ao ano de 2050 [6]. Também a União Europeia definiu uma meta até ao ano de 2030, em que os principais objetivos passam pela redução, comparativamente aos valores atuais, de 55% das emissões dos gases de efeito de estufa, um aumento de 27% no uso de energias provenientes de fontes renováveis, e também uma melhoria de 27% na eficiência energética [7]. A Agência Internacional para a Energia Renovável (IRENA), fez um estudo em que compara a progressão da utilização de energias renováveis em dois cenários distintos: o “Planned Energy Scenario” (PES) em que a progressão segue um rumo normal, influenciado pelos planos e políticas energéticas governamentais atuais, e o “Transforming Energy Scenario” (TES) , que representa um cenário bastante ambicioso, contudo realista, em que a progressão segue um rumo baseado na utilização em grande escala de energia renovável e na aplicação severa das medidas de mitigação do acordo de Paris [8]. O gráfico da Figura 2.1 representa os dois cenários descritos em cima para a Europa, numa meta até 2050. A diferença da percentagem de utilização de energia renovável entre os anos de 2040 e 2050 nos dois cenários é bastante acentuada, sendo que no PES a utilização de energia renovável atinge um valor de 33% e no TES atinge um valor de 71%. 6 Figura 2.1 – Cenário energético atual mediante políticas energéticas atuais (à esquerda) e cenário progressista baseado na utilização em grande escala de energias renováveis (à direita) [9] Entre 2013 e 2018, a energia solar fotovoltaica e a energia eólica onshore consolidaram o seu domínio no investimento mundial em energias renováveis, respetivamente 46% e 29%. Outras tecnologias (hídrica, biomassa, biocombustíveis, geotérmica e energia das marés) contribuíram no seu conjunto apenas para 7% do investimento total em energias renováveis no mesmo período (Figura 2.2) [10]. Figura 2.2 - Investimento global em energias renováveis entre 2013 e 2018 em biliões de US dólares [10] Transforming energy scenario 2017, 2030, 2040, 2050 Planned energy scenario 2017, 2030, 2040, 2050 7 Alguns estudos referem que as energias renováveis são consideradas limpas e amigas do ambiente envolvente, devido à não libertação de componentes tóxicos aquando da sua geração [11]. No entanto, as infraestruturas utilizadas para a sua geração podem representar um problema no que toca à reciclagem ou descarte dos materiais que compõem essas mesmas infraestruturas [12]. No caso específico da energia solar, as principais preocupações centram-se na organização ocupacional do espaço onde as infraestruturas serão implementadas e consequentemente, a ocupação de espaço por painéis solares de larga escala que seria utilizado para agricultura e afins [13,14,15]. Outra questão é a influência na fauna presente no local de instalação, onde foram registados em alguns casos específicos, um aumento da mortalidade de aves, morcegos e outras espécies [16,17,18], por estes confundirem as superfícies dos painéis fotovoltaicos com a superfície de lagos e aterrarem neles fatalmente [19]. Também a exploração de energia eólica apresenta um risco mortal para algumas espécies voadoras, nomeadamente os morcegos, uma vez que o movimento das pás interfere no percurso de voo destes mamíferos e causa uma diminuição da pressão atmosfera que provoca o rebentamento dos vasos sanguíneos dos seus pulmões [20]. Devido a estas questões de perigo ambiental, é necessário que seja feita uma análise prévia do local onde se pretende implementar os sistemas (quer sejam de energia solar ou de outro tipo de energia), para que seja possível minimizar ou até anular os efeitos nefastos no ecossistema envolvente. Por outro lado, outros benefícios, para além da produção de energia limpa com zero emissões de gases de efeito de estufa, podem ser resultantes desta exploração energética. O processo construtivo de instalações solares envolve a compactação do solo, o que resulta diretamente no aumento das taxas de escoamento superficial e na diminuição da erosividade do solo. Na maioria dos casos em que os painéis são aplicados em campos, são também instalados sistemas de drenagem, optando por materiais não permeáveis, para fortalecer o correto escoamento. Como a camada superficial do solo é removida durante a instalação, devem ser também aplicadas técnicas de semeio e irrigação constante para estimular o crescimento vegetal por entre os painéis [21]. As instalações fotovoltaicas localizadas em terrenos abertos proporcionam também zonas de sombra, que podem ser benéficas para a flora e fauna. A substituição das fontes de energia de origem fóssil por estas fontes de energia renovável é essencial e apresenta inúmeras vantagens, apesar de, no presente, ainda não ser possível suprir todas as necessidades energéticas mundiais utilizando apenas energia de origem renovável. 8 Porém, se a substituição de energia de fontes fósseis por fontes renováveis for gradual, a descarbonização fica mais perto de ser alcançada. No entanto, alguns países não possuem a capacidade de substituir os combustíveis fósseis por fontes renováveis em larga escala, nomeadamente, os países em desenvolvimento, onde os governos e a grande parte das empresas não possuem condições financeiras para a implementação destes sistemas e alguns países desenvolvidos que não possuem as condições necessárias à exploração de fontes de energia renovável, como condições de insolação e vento. 2.1. Energia Solar De entre os vários tipos de energias renováveis, destaca-se a energia solar como sendo uma das mais atrativas para utilização mundial e, dentro desta, a energia solar fotovoltaica como a mais implementada [22]. Este ramo da energia solar possui diversas aplicações, tanto a nível de pequenos empreendimentos, como habitações particulares, piscinas e pequenas empresas, como a nível industrial, sem esquecer as estações de produção de energia que abastecem a rede energética [23,24]. A energia solar é a energia obtida através do sol, e dessa forma é referenciada como fonte inesgotável, que chega à terra sob forma de ondas eletromagnéticas (fotões). Pode ser obtida de forma direta, quando é proveniente diretamente de raios solares, ou difusa, quando a radiação é recebida indiretamente, em resultado da difração nas nuvens, nevoeiro, poeiras em suspensão e outros obstáculos presentes na atmosfera [25]. A energia elétrica é produzida através de células fotovoltaicas ou através do aquecimento de um fluído. As células fotovoltaicas são predominantemente constituídas por silício, boro e fósforo, e ao receberem a radiação solar, há produção de energia elétrica. Esta energia pode ser armazenada ou injetada diretamente na rede [26]. Os sistemas fotovoltaicos dependem das propriedades químicas e físicas e das características dos seus materiais constituintes. Também a temperatura, a radiação solar do local, a durabilidade e preço dos materiais e o custo de instalação são outros fatores que influenciam a decisão de escolha destes sistemas. Grande parte da utilização deste tipo de energia está associado com a possibilidade de redução de emissões de carbono, o que teve um grande impacto global a nível ambiental, social e 9 económico nos últimos anos [27]. Na Califórnia, EUA, foi evitada a emissão de 696 544 toneladas de CO2 através da instalação de 113 533 sistemas solares em habitações particulares [28]. No panorama mundial, a energia solar tem vindo a ganhar cada vez mais notoriedade entre as diversas energias renováveis, tanto pela sua eficiência, como pela sua baixa nocividade para o ambiente [29]. Outro fator que contribui para o seu aumento na matriz energética mundial é a estabilização de preços de infraestruturas para exploração de energia solar, que nos últimos anos têm vindo a tornar-se mais acessíveis para a grande parte da população, o que amplifica a competitividade neste setor [29]. A energia solar já representa 486 GW da geração elétrica a nível global, e espera-se que atinja os 8 TW até ao ano de 2050, crescendo quase 9% a cada ano [30]. O continente asiático representa mais de 50% deste mercado, como representado na Tabela 2.1. Tabela 2.1 - Capacidade instalada mundial de energia solar em MW [31] Regiões 2004 2008 2012 2016 2018 Participação mundial (%) Mundo 3 440 15 248 104 144 295 828 486 085 100% Ásia 1 236 2 849 15 996 136 382 274 894 56,6% Europa 1 337 10 522 73 868 107 102 126 854 26,1% América do Norte 781 1 670 9 439 37 766 57 158 11,8% Oceânia 49 93 3 829 6 857 10 604 2,2% África 22 65 412 3 393 6 097 1,3% América do Sul 6 12 157 1 545 5 471 1,1% Oriente Médio 0 10 275 1 636 3 281 0,7% No que toca especificamente aos países em desenvolvimento, da análise da tabela 2.2, denota-se um elevado crescimento na capacidade instalada desde 2012 até 2018, principalmente na China e na Índia. 10 Tabela 2.2 - Capacidade instalada em MW em países em desenvolvimento [31] Países 2004 2008 2012 2016 2018 China 77 259 6 948 79 047 177 647 Índia 8 28 982 9 879 27 115 África do Sul 0 0 11 2 174 2 959 México 16 19 60 389 2 555 Brasil 0 0 2 80 2 296 Rússia 0 0 0 77 584 Em termos de investimento mundial, observa-se pelo gráfico da Figura 2.2 que a energia solar, principalmente a energia solar fotovoltaica, ressalta como a energia com mais investimento global no ramo das renováveis. O gráfico da Figura 2.3 mostra em detalhe quais os valores em que ronda o investimento mundial em energia solar fotovoltaica e em energia solar térmica. Figura 2.3 - Investimento global em energia solar entre 2013 e 2018 em biliões de US dólares [28] 17 A estrutura típica de uma célula fotovoltaica pode ser observada na Figura 4.1. Figura 4.1 - Estrutura de uma célula fotovoltaica [45] 4.2. Processo de conversão de energia solar em eletricidade Como referido anteriormente, a célula fotovoltaica converte radiação eletromagnética proveniente da incidência de luz solar em energia elétrica. Este processo pode ser explicado através do princípio de funcionamento da junção p-n (Figura 4.2). A junção p-n é constituída por duas regiões, p e n, regiões aceitadora e doadora de eletrões, respetivamente. A região p, região aceitadora, é tipicamente dopada com boro (B) e a região n, região doadora, é tipicamente dopada com fósforo (P). O fósforo possui um estado de oxidação 5+ (P5+) e como tal possui um eletrão a mais que o Si (P5+ → 4𝑒−+ 𝑒− dadores). O boro possui um estado de oxidação 3+ (B3+) e como tal possui um eletrão a menos que o Si (B3+ → 4𝑒−− 𝑒− aceitadores). Obtém-se assim duas camadas: a camada P tratada com fósforo com carga negativa, e a camada B tratada com boro com carga positiva. 18 Figura 4.2 - Princípio de funcionamento de uma célula PV [42] O material possui átomos que realizam 4 ligações com os átomos vizinhos (Figura 4.3). Figura 4.3 - Disposição dos átomos de silício numa célula A camada representada com a letra P é tratada com fósforo (P), e deixada com eletrões extra (bolas azuis). A camada representada com a letra B é tratada com boro (B), que passa então a ter uma carência de eletrões, ficando assim com lacunas (bolas pretas). 19 Estas duas partes formam a junção p-n. Quando este sistema absorve radiação solar, a energia é suficiente para excitar um eletrão e fazer com que este deixe o seu lugar na banda de valência e se mova livremente pelo sistema, deixando uma lacuna na sua ausência. Devido ao campo eléctrico existente na zona de depleção (com o sentido de n para p), os eletrões deslocam-se apenas em direção ao lado negativo (n), ficando lacunas no lado positivo (p). Os eletrões seguem caminho pelo circuito, e eventualmente retornam ao silício do tipo p preenchendo as lacunas, fechando assim o ciclo de movimento. Esta corrente de eletrões é denominada de corrente elétrica (Figura 4.4). Num sistema composto por semicondutores, a resistência óhmica é intermédia, o que leva a que haja algumas perdas de energia. Figura 4.4 - Movimento dos eletrões através do circuito do sistema 20 4.3. Modelo Matemático da Célula FV A célula fotovoltaica pode ser interpretada como sendo um díodo, cuja junção p-n ao ser exposta a radiação solar, gera uma corrente que é dada pela soma algébrica da corrente fotogerada ( IL ) quando a junção está iluminada e a corrente da célula quando a junção está na ausência de luz ( ID ): 𝐼 = 𝐼𝐿− 𝐼𝐷(𝑉) (3) onde I é a corrente da célula fotovoltaica, IL é a corrente fotogerada e ID (V) é a corrente da célula quando esta se encontra na ausência de luz [46,47]. O funcionamento da célula pode ser exposto como um circuito equivalente constituído por um gerador de corrente elétrica estimulada por radiação luminosa, em paralelo com um díodo e uma carga (Figura 4.5). Figura 4.5 - Circuito elétrico equivalente de uma célula FV ID IL E 21 A corrente IL é a corrente gerada pela fonte luminosa, e é uma corrente constante para uma dada radiação incidente. É contrária à corrente ID que é a corrente do díodo quando este se encontra na ausência de luz. A corrente ID pode ser obtida através da equação 4: 𝐼𝐷 = 𝐼0 𝐸 𝑒𝑚𝐸𝑇 – 1 (4) onde ID é a corrente unidirecional do díodo na ausência de luz, I0 é a corrente máxima de saturação do díodo, E é a tensão nos terminais da célula e m é o fator de idealidade do díodo. ET é o potencial térmico, determinado através de: 𝐸𝑇 = 𝐾𝑇 𝑞 (5) onde K é a constante de Boltzman (K = 1,38 x 10-23 J/K), T é a temperatura absoluta da célula em kelvin e q é a carga do eletrão (q = 1,602 x 10-19 C) [44]. Através da Lei de Kirchhoff, ou lei dos nós, obtém-se a expressão para a corrente I: 𝐼 = 𝐼𝐿 − 𝐼𝐷 (6) Combinando as equações 4 e 6, obtém-se a equação 7: 𝐼 = 𝐼𝐿 − 𝐼0 ( 𝐸 𝑒𝑚𝐸𝑇 − 1) (7) 22 Capítulo 5 5. Componentes de um Sistema FV O sistema fotovoltaico analisado na presente dissertação, é um sistema acoplado à rede sem armazenamento, pelo que os componentes referidos no presente capítulo são os seguintes: módulos FV, inversor, smartlogger , sistemas de suporte e instalação e cablagens. 5.1. Módulos FV Os módulos fotovoltaicos são a agregação ordenada de diversas células fotovoltaicas em série, de modo que seja possível obter tensão e corrente suficiente para energizar o equipamento em questão [48]. A potência máxima conseguida através de uma única célula fotovoltaica não excede, geralmente, os 3W, o que se torna inviável para a grande parte das aplicações reais [49]. Os módulos podem ser posteriormente interligados entre si com o propósito de se obter uma única saída de corrente elétrica contínua [48]. O esquema de um módulo fotovoltaico pode ser observado na Figura 5.1. Figura 5.1 - Esquema representativo de uma associação de células fotovoltaicas, constituindo um módulo FV [50] As células são ligadas em série, onde cada célula é soldada através dos seus contactos frontais à célula que lhe segue, de modo que o pólo negativo posicionado na parte frontal da célula esteja ligado ao pólo positivo posicionado na parte posterior da célula seguinte [49]. 23 De maneira a manter a eficiência dos módulos e a preservar a sua estrutura, bem como a proteger os seus componentes das agressões exteriores, como a precipitação e o desgaste causado pela exposição, é necessário incluir alguns materiais na sua composição. O esquema da Figura 5.2 representa todos os componentes incluídos numa estrutura de um módulo FV, nomeadamente: Figura 5.2 - Estrutura de um módulo FV [51] - A moldura de alumínio, geralmente alumínio anodizado, que confere estabilidade mecânica à estrutura; - Uma camada de vidro temperado, que protege as células de fatores ambientais, como a precipitação sólida, ou o manuseamento, sem que haja impedimento de entrada de luz solar; - Uma película de copolímero de etileno e acetato de vinilo (EVA) que garante o isolamento elétrico entre as células. Esta película é translúcida e não reflete a radiação solar; - As células fotovoltaicas, responsáveis pela conversão de energia eletromagnética em energia elétrica; - Novamente uma película EVA; - Um fundo protetor, que protege a parte posterior do módulo e evita a entrada de água. Existem diversos tipos de módulos, sendo os mais utilizados o silício monocristalino, silício policristalino, filmes finos de silício (thin films) e silício amorfo. 24 5.1.1.1. Silício Monocristalino (c-Si) Os módulos de silício monocristalino (c-Si) possuem uniformidade decorrente de um único cristal de silício, o que lhes confere um efeito fotovoltaico próximo do ideal, resultando numa eficiência entre 12% e 15%. Num módulo, as células apresentam-se como quadrados com os cantos cortados (Figura 5.3). Para produzir estas células, o silício é solidificado em formato de barras circulares e posteriormente cortado em wafers. Estes são os módulos de Si com maior eficiência, mas são também os mais caros que se encontram no mercado. No entanto, a degradação destes módulos é mais lenta. Figura 5.3 - Representação esquemática de um módulo de silício monocristalino com ampliação da célula [52] 25 5.1.1.2. Silício Policristalino (mc-Si) Os módulos de silício policristalino, ou mc-Si (multicristalino) são, tal como o nome indica, constituídos por diversos cristais de silício (Figura 5.4). No seu fabrico, vários fragmentos de cristais de silício são derretidos e solidificados juntos até formarem um bloco. São posteriormente cortados em wafers. Este tipo de módulos apresentam um custo de produção bastante mais baixo comparativamente ao custo dos módulos de silício monocristalino. No entanto, a existência de diversos cristais de silício reduz bastante a eficiência dos módulos. Figura 5.4 - Representação esquemática de um módulo de silício policristalino e ampliação da célula [52] 26 5.1.1.3. Filmes Finos de Silício (Thin Films) Os filmes finos representam uma nova tecnologia de células fotovoltaicas muito mais barata do que as células de silício cristalino. Estes filmes de silício possuem uma espessura de 1 µm e são depositados na estrutura das células em substratos durante o fabrico. Apesar de a sua eficiência ser muito mais baixa do que as células de silício cristalino, os filmes finos de silício apresentam uma grande flexibilidade, o que facilita o seu manuseio e a sua instalação. Devido a este fator e ao baixo preço de aquisição, esta nova versão tornou-se bastante competitiva nos mercados do setor da energia fotovoltaica [53]. 5.1.1.4. Silício Amorfo (a-Si) O silício amorfo surgiu como uma tecnologia alternativa no mercado de energia fotovoltaica com o principal propósito de competir comercialmente com as restantes tecnologias, uma vez que a sua constituição não exige uma produção tão elaborada como as restantes. A sua estrutura atómica, apesar de possuir silício, encontra-se desorganizada. A eficiência do silício amorfo encontra-se entre 5% e 8% [54]. 33 Capítulo 6 6. Sistemas Autónomos e Sistemas Acoplados à Rede Os sistemas fotovoltaicos podem dividir-se em três tipos: os sistemas autónomos ou isolados, os sistemas acoplados à rede ou on grid e os sistemas que apresentam uma configuração híbrida, em que se encontram ligados juntamente com uma outra fonte de energia, podendo esta ser de origem renovável ou não. Neste capítulo vou abordar os tipos autónomo e acoplado à rede, que são os tipos mais comuns de sistemas fotovoltaicos. Os sistemas autónomos são sistemas de produção e consumo de energia elétrica sem que haja uma ligação à rede elétrica pública. Estes sistemas possuem painéis fotovoltaicos para a geração de energia elétrica, e essa energia é armazenada em baterias através de um controlador de carga para que possa ser utilizada quando for necessário. A energia armazenada nas baterias possui corrente contínua (CC) e é convertida para corrente alternada (CA) antes de ser utilizada, através de um inversor. A Figura 6.1 representa um esquema de um sistema autónomo típico. Figura 6.1 - Representação esquemática de um sistema fotovoltaico autónomo típico [61] 34 Nas situações em que os sistemas não possuam inversor, apenas é permitida a utilização de aparelho de corrente contínua (CC), normalmente de 12 V ou 24 V. Estes representam os sistemas autónomos mais simples. Os sistemas fotovoltaicos conectados à rede, ou on grid, não necessitam de dispositivos de armazenamento, uma vez que a energia produzida em excesso é injetada diretamente na rede elétrica pública. Este tipo de sistemas, assim como os sistemas autónomos, também são integrados por um (ou mais) inversor que converte a correntes contínua (CC) da energia gerada em corrente alternada (CA) antes desta ser injetada na rede pública [62]. Os consumidores continuam a utilizar a energia elétrica proveniente da rede pública, ou seja, há um fluxo de energia que é exportado para a rede e que é importado da rede. Em dias de produção em excesso, (quando a energia produzida é superior à energia necessária), o excedente é injetado na rede. Em dias de produção insuficiente (quando não é possível produzir a energia necessária para suprir as necessidades do consumidor), é consumida energia proveniente da rede pública. Para que este fluxo de energia seja corretamente monitorizado, é instalado no sistema um medidor de energia, que deve ser do tipo bidirecional para que seja capaz de medir o fluxo de energia que sai e o fluxo de energia que entra. A Figura 6.2 representa um esquema de um sistema fotovoltaico on grid típico instalado numa habitação. Figura 6.1 - Representação esquemática de um sistema on grid típico [61] 35 Assim, no final do mês, o consumidor recebe a fatura da eletricidade com dois registos, a energia consumida e a energia injetada, onde o valor da energia injetada é utilizado como um crédito que abate sobre o valor da energia consumida, permitindo assim uma poupança na fatura da eletricidade. Capítulo 7 7. Legislação Aplicável Relativamente às instalações de unidades para produção de eletricidade para autoconsumo (UPAC), atualmente em Portugal é o decreto-lei nº 153/2014 de 20 de outubro que estabelece os regimes jurídicos aplicáveis à produção de eletricidade destinada ao autoconsumo e ao da venda à rede elétrica de serviço público (RESP) a partir de recursos renováveis, por intermédio de Unidades de Pequena produção (UPP). Seguidamente, o decreto-lei nº 162/2019 de 25 de outubro aprova o regime jurídico aplicável ao autoconsumo de energia renovável. No referido decreto-lei, é de salientar o artigo 3º que define as condições de exercício, nomeadamente o ponto 3 do referido artigo, que especifica que uma UPAC com potência instalada entre 30 kW e 1 MW está sujeita a registo prévio para que se possa proceder à sua instalação, assim como a um certificado de exploração nos termos dos nºs 2,3,4,5 e 9 do artigo 27º - B e do artigo 27º - C do decreto-lei nº 172/2006 de 23 de agosto. Salientam-se ainda os direitos e deveres do autoconsumidor, referidos nos artigos 7º e 8º respetivamente, no referido decreto-lei [63,64,65]. 36 Capítulo 8 8. Caso de Estudo A presente dissertação teve como alvo de estudo o caso de uma empresa X de calçado que requeria a implementação de um sistema fotovoltaico acoplado à rede, para produção de energia elétrica para autoconsumo. A empresa X localiza-se na cidade de Felgueiras, distrito do Porto, Portugal, nas coordenadas de latitude 41º 20’ 10’’ N e longitude 8º 16’ 01’’ W (Figura 8.1). Figura 8.1 - Localização da Empresa X (Imagem de satélite obtida através do Google Earth) Na conceção de um projeto para geração de energia elétrica é fulcral que se conheça a disponibilidade solar do local, pelo que foi analisado o potencial energético solar da zona com o objetivo de analisar a quantidade de irradiação incidente sobre os módulos para realizar uma estimativa da energia gerada. O dono da empresa X, doravante designado por cliente, disponibilizou as faturas da eletricidade correspondentes a um ano de consumo de onde foram retiradas as necessidades energéticas, que se encontram registadas na Tabela 8.1. 37 Tabela 8.1 - Necessidades energéticas da empresa X durante o período de um ano MÊS CONSUMO (MWh) Janeiro 85,05 Fevereiro 62,03 Março 50,11 Abril 47,43 Maio 40,56 Junho 43,73 Julho 38,91 Agosto 31,42 Setembro 44,13 Outubro 57,10 Novembro 68,61 Dezembro 72,84 Total Ano 641,92 8.1. Radiação Solar Anual A radiação solar incidente no local do projeto é apresentada no gráfico da Figura 8.2 e foi obtido recorrendo à ferramenta PVGIS (Photovoltaic Geographical Information System) disponibilizada pelo site da Comissão Europeia [66]. 38 Figura 8.2 - Radiação Solar incidente no local do projeto (obtida através da ferramenta PVGIS, 2021) Tal como esperado para Portugal continental, os meses de Verão (junho, julho e agosto), são os meses que apresentam maior irradiação solar, o que irá corresponder a uma produção mais elevada de energia elétrica. O gráfico da irradiação foi obtido através da inserção das coordenadas do local do projeto na ferramenta PVGIS, que emitiu os valores de irradiação solar referentes ao ano de 2020. 8.2. Software de Dimensionamento Inicialmente, foi realizado um pré-projecto através do programa PVsyst, que é uma ferramenta de dimensionamento para sistemas fotovoltaicos. Nesta fase inicial, foi introduzida a localização do empreendimento e as necessidades energéticas anuais da empresa X, mencionadas anteriormente na Tabela 8.1. Para uma maximização da geração de energia, é necessário que os painéis sejam inclinados e orientados no ângulo e direção ideais, respetivamente. Estes dados estão diretamente relacionados com a latitude do local, e podem ser calculados somando 15° ao valor da latitude para o Inverno, subtraindo 15° para o Verão ou subtraindo 5° para todo o ano. 39 Através deste cálculo obteve-se uma inclinação de 36°e um azimute de -4° (Figura 8.3). O azimute é medido em relação à orientação Sul, uma vez que no Hemisfério Norte a orientação ideal para painéis fotovoltaicos é o Sul geográfico. Figura 8.3 - Inclinação e Orientação ideiais dos módulos FV para o projeto em estudo (via PVsyst) Esta simulação resultou numa área útil de 659 m2. Esta área é relativa a uma estimativa do número de painéis que serão necessários implementar no sistema fotovoltaico. Na simulação propriamente dita, essa área pode ser alterada caso seja necessário adicionar painéis ou reduzir o número de painéis. A área do telhado da empresa X, local de disposição dos painéis solares fotovoltaicos, é de 1000 m2. Seguidamente, através novamente do auxílio do PVGis, foi possível realizar uma estimativa da produção média anual da energia produzida por um sistema fotovoltaico acoplado à rede e sem armazenamento. Novamente foram inseridas as coordenadas do local do empreendimento, para que o PVGis analisasse os fatores climatológicos e o tipo de módulo fotovoltaico escolhido e desse modo estimar a produção média anual. Foi introduzida uma potência de pico de 127 kWp, calculada através da seguinte fórmula: 𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑃𝑖𝑐𝑜 (𝑘𝑊𝑝) = 𝐴∗ 𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖ê𝑛𝑐𝑖𝑎∗1 𝑘𝑊/𝑚2 100 (16) 40 Onde A é a área dos módulos fotovoltaicos (659 m2) e a eficiência é a eficiência de pico de 19,3% designada pelo fornecedor dos módulos. Substituindo os valores, obtém-se: 𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑃𝑖𝑐𝑜 (𝑘𝑊𝑝)= 659 𝑚2∗ 19,3 %∗1 𝑘𝑊/𝑚2 100 =127 𝑘𝑊 (17) A potência de pico representa o máximo de potência energética que o sistema consegue gerar sob as condições padrão (T = 20ºC e irradiância = 1000 W/m2). Esta condição garante que o sistema consiga aguentar picos de energia sem que seja danificado. O gráfico da Figura 8.4 representa a estimativa da energia anual produzida realizada pela ferramenta PVGIS. Figura 8.4 - Energia anual produzida estimada (Obtido através do PVGis, European Comission, 2021 Como esperado, os meses de julho e agosto são aqueles de maior produção energética, uma vez que também são os mesmos em que a irradiação solar é superior. No entanto, de acordo com a Tabela 8.1 o mês de agosto é o mês em que a empresa apresenta menores necessidades 41 energéticas, provavelmente devido a encerramento da mesma para férias dos trabalhadores, pelo que se espera que haja uma injeção de excedente na rede. Denote-se que os dados supra apresentados são resultado de uma estimativa e podem variar em relação aos valores reais. 8.3. Componentes Utilizados Este tópico refere-se à escolha de componentes utilizados neste projeto, nomeadamente os painéis solares fotovoltaicos e o inversor. 8.3.1. Painéis Solares Fotovoltaicos Através de uma pesquisa pelo mercado atual de componentes fotovoltaicos, foi selecionado o modelo SPR – 310E – WHT – D si-mono 310 Wp, da SUNPOWER, modelo de utilização frequente em grandes dimensionamentos. A folha de dados deste modelo apresenta-se no Anexo A. Este modelo foi selecionado devido à sua relação qualidade/preço e elevada eficiência comparativamente a outros modelos utilizados frequentemente no mercado fotovoltaico. Foi escolhido o modelo do tipo silício monocristalino por este apresentar maior eficiência do que o do tipo policristalino. As principais características do módulo encontram-se especificadas na Tabela 8.2. Tabela 8.2 - Características do módulo FV escolhido Modelo SPR – E19 – 310 – COM Tipo Monocristalino Potência Máxima 310 W Eficiência 19,01% Tensão de máxima potência (VMPP) 54,7 V Corrente de máxima potência (IMPP) 5,67 A Tensão circuito aberto (VOC) 64,4 V Corrente curto-circuito (ISC) 6,05 A Comprimento (m) 1,5 m 42 Largura (m) 1,04 m Área (m2) 1,56 m2 Peso (Kg) 18,6 Kg Número de células 96 O número máximo de módulos ligados em série é determinado pela razão entre a tensão em corrente contínua máxima admissível do inversor e a VOC do módulo a uma temperatura de -10°C. Este valor representa a temperatura mínima a que os módulos fotovoltaicos instalados em Portugal podem funcionar. Ou seja, as baixas temperaturas estão diretamente relacionadas com o aumento da tensão, pelo que o inversor deve ser capaz de suportar uma tensão superior à VOC do módulo a -10°C [67]. O número mínimo de módulos ligados em série está relacionado com a máxima temperatura que os módulos podem suportar, durante o Verão, pois a tensão diminui com o aumento da temperatura. Este valor pode ser obtido a partir do quociente entre a tensão MPP mínima de entrada do inversor e o VMPP do módulo a 70°C [67]. 8.3.2. Inversor O inversor de um sistema conectado à rede deve ser escolhido tendo em conta a potência nominal dos módulos fotovoltaicos. A potência máxima varia com a temperatura e irradiação presentes num dado momento, e com a tensão aos terminais do módulo. Naturalmente, é requerido que o funcionamento do sistema seja sempre à máxima potência possível. De maneira que os módulos estejam sempre no ponto de operação de potência máxima, os inversores possuem um sistema digital de cálculo da tensão à potência máxima, designado de Maximum Power Point Tracker ou MPPT [68]. O inversor escolhido para este empreendimento foi o modelo SUN 2000 – 100KTL – M1 da marca Huawei. Este inversor possui 10 entradas MPPT (20 entradas, 2 para cada MPPT), o que permite a individualização de cada fileira, aumentando assim a eficiência do sistema. Desse modo, as 49 Tabela 8.4 - Principais resultados da simulação do sistema Figura 8.8 - Energia produzida pelo sistema ao longo dos meses 50 As perdas do sistema podem ser analisadas a partir do diagrama de perdas da Figura 8.9, entre as quais podem ser identificadas as perdas a partir dos módulos, do inversor e das cablagens. Figura 8.9 - Diagrama de perdas do sistema fotovoltaico (obtido através do PVsyst) Transpondo os resultados da energia produzida à saída do grupo e da energia fornecida ao consumidor supracitados na Tabela 8.4 obtém-se o gráfico da Figura 8.10. Através deste gráfico é possível observar o quanto das necessidades de consumo da empresa X podem ser supridas pela produção energética proveniente do sistema fotovoltaico implementado. Os meses de verão (junho, julho e agosto) são os meses que apontam menor consumo e maior produção, o que provoca uma aproximação de valores, sendo cerca de 61% da energia consumida proveniente da geração fotovoltaica. 51 Os meses de inverno (janeiro, novembro e dezembro) são os meses que apontam maior consumo e menor produção, o que provoca um distanciamento de valores, sendo apenas cerca de 16,5% da energia consumida proveniente da geração fotovoltaica. Figura 8.10 - Energia produzida vs. energia consumida 8.5. Disposição dos Módulos FV Como referido em cima, o resultado da simulação do projeto sugeriu uma disposição dos painéis em 32 fileiras com 13 módulos ligados em série, sendo que os cálculos realizados também em cima, revelaram que seria possível ligar em série entre 4 e 17 módulos, e poderia haver um número máximo de 46 fileiras. Os números supramencionados referentes ao resultado da simulação são apenas sugestivos e podem diferir um pouco da realidade. A Figura 8.11 apresenta uma possível disposição dos painéis solares aplicados no telhado da empresa X. O esquema foi cedido pela empresa DAPE, que o dimensionou com auxílio do software AUTOCAD. 52 Figura 8.11 - Possível esquema de disposição dos módulos FV no telhado da empresa X. (Imagem fornecida pela empresa DAPE) As linhas a vermelho representam a esteira para a passagem das cablagens e os quadrados vermelhos representam alguns obstáculos existentes no telhado que devem ser considerados na instalação das estruturas. 8.6. Fixação dos Painéis Fotovoltaicos É de extrema importância que a fixação dos painéis no telhado seja feita de forma correta e segura. Existem diversos tipos de estruturas de fixação de painéis, desenhados especificamente para cada tipo de telhado ou superfície. No caso do presente estudo, tal como acontece em implementações em terrenos planos, é necessário que sejam adquiridas estruturas que possam fornecer a inclinação ideal para maximizar a eficiência dos painéis, a saber, aproximadamente 36°, referido anteriormente no ponto 8.2. Geralmente as estruturas são constituídas por alumínio ou aço inoxidável e com bastante robustez, de forma que os painéis fiquem seguros e não sejam movidos do seu lugar por fatores externos ambientais (chuvas e vento forte). 53 As estruturas são então fixadas no telhado – no presente caso o telhado é constituído por telha metálica – recorrendo ao uso de calhas, onde as estruturas são coladas com uma cola própria para o efeito e aparafusadas. Posteriormente os painéis são inseridos nas estruturas e fixados com o auxílio de parafusos para que fiquem bem seguros. A Figura 8.12 representa um esquema de uma estrutura similar às escolhidas para aplicar no presente projeto e a Figura 8.13 representa o sistema de parafuso utilizado para fixar as estruturas no telhado. Figura 8.12 - Esquema de uma estrutura de fixação de painéis similar às escolhidas para aplicação no presente projeto [69] Figura 8.13 - Parafuso de fixação de estruturas em telhados de telha metálica [70] 54 Capítulo 9 9. Análise Financeira A análise financeira do empreendimento alvo de estudo da presente dissertação foi dividida em quatro tópicos: - Investimento inicial – equipamento e instalação; - Compra de energia e venda do excedente; - Custo de ciclo de vida – soma de todos os custos ao longo do período de vida do sistema fotovoltaico; - Análise de custos versus benefícios. O investimento inicial é composto pelo custo dos equipamentos e o custo de instalação 1 dos mesmos. Estes custos são apresentados na Tabela 9.1. (Considerou-se que a instalação de todo o empreendimento demorou aproximadamente 3 dias de trabalho (8 horas por dia) até estar concluída. Tabela 9.1 - Custo de equipamento e instalação Equipamento Unidades Preço/unidade (€) Preço total (€) Painéis fotovoltaicos 416 200 83200 Inversor 1 5625 5625 Datalogger 1 590,40 590,40 Cabo de 4 mm 4 x 100 m 190 760 Cabo de 4 mm 1 x 25 m 55 55 Estruturas de 10 painéis 41 487,88 20003,08 Estruturas de 6 painéis 1 325,24 325,24 Conectores 416 3 1248 Total 111806,72 Instalação 24 horas 200€/hora 5000 Total 116806,72 1 O custo de instalação foi considerado tendo em conta o valor médio cobrado pela maioria dos operacionais da área (200€/hora). 55 Seguidamente, através da análise da energia produzida no ano 1, foi possível determinar a energia produzida pelo sistema fotovoltaico ao longo de 20 anos (tempo de vida útil dos equipamentos). Para tal, foi considerada uma taxa de degradação do sistema fotovoltaico de 3%. Os resultados obtidos encontram-se apresentados na Tabela 9.2. Denote-se que o valor da compra da eletricidade foi considerado o mesmo ao longo dos 20 anos, sendo desconsideradas quaisquer variações de preço, assim como no valor da venda da eletricidade, que também foi considerado o mesmo ao longo dos 20 anos. Tabela 9.2 - Comparação entre o custo de eletricidade com e sem sistema fotovoltaico ao longo de 20 anos de utilização Ano Custo com sistema FV (€) Custo sem sistema FV (€) Poupança (€) 1 59890,6 89868,8 29978,2 2 60763,8 89868,8 29105,0 3 61611,5 89868,8 28257,3 4 62434,5 89868,8 27434,3 5 63233,6 89868,8 26635,2 6 64009,3 89868,8 25859,5 7 64762,5 89868,8 25106,3 8 65493,8 89868,8 24375,0 9 66203,7 89868,8 23665,1 10 66893,0 89868,8 22975,8 11 67562,2 89868,8 22306,6 12 68211,9 89868,8 21656,9 13 68842,7 89868,8 21026,1 14 69455,1 89868,8 20413,7 15 70049,7 89868,8 19819,1 16 70626,9 89868,8 19241,9 17 71187,4 89868,8 18681,4 18 71731,5 89868,8 18137,3 19 72259,8 89868,8 17609,0 20 72772,7 89868,8 17096,1 56 O Custo com sistema fotovoltaico foi obtido através da subtração da energia produzida às necessidades energéticas, e seguidamente calculado a quantidade de eletricidade que seria necessário comprar à rede. O Custo sem sistema fotovoltaico foi obtido através da compra de todo o volume de eletricidade correspondente às necessidades energéticas do consumidor, antes de este implementar o sistema fotovoltaico. Com esta correlação foi possível obter o gráfico da Figura 9.1 que relaciona o gasto em eletricidade sem o sistema fotovoltaico com o gasto em eletricidade após a implementação deste. Figura 9.1 - Comparação entre o gasto em eletricidade sem sistema FV e com sistema FV É possível observar que, com a implementação do sistema fotovoltaico, o gasto em eletricidade vai subindo ao longo dos anos, o que é de esperar, uma vez que, com a degradação do sistema a energia produzida será cada vez menor. No entanto, mesmo com essa degradação, o valor gasto em eletricidade é significativamente menor do que aquele gasto sem implementação do sistema fotovoltaico. 57 9.1. Custo do Ciclo de Vida do Sistema FV Para analisar o custo do ciclo de vida do sistema fotovoltaico, foram considerados vários pontos, nomeadamente: - Foi considerado que o cliente pagou 20% do valor do sistema (equipamento + instalação) de entrada e que fez um empréstimo para os restantes 80% 2 ; - Foi considerada uma taxa de manutenção do sistema de 1,25% a cada ano (ao longo de 20 anos). O empréstimo foi estipulado para ser pago em 10 anos. A Tabela 9.3 apresenta todos os resultados obtidos. Tabela 9.3 - Análise do custo do Ciclo de Vida do sistema fotovoltaico Ano Prestação Anual (€) Manutenção (€) Poupança (€) Poupança + Despesa (€) VP Anual Poupança + Despesa (€) Fluxo de Caixa (€) 0 -23 361,44 1 -10 512,11 -934,45 29 978,2 18 531,64 18 311,90 -5049,45 2 -10 512,11 -1168,07 29 105 17 424,88 17 014,09 11 964,64 3 -10 512,11 -1168,07 28 257,3 16 577,16 15 994,42 27 959,06 4 -10 512,11 -1168,07 27 434,3 15 754,13 15 020,08 42 979,14 5 -10 512,11 -1168,07 26 635,2 14 955,07 14 089,19 57 068,33 6 -10 512,11 -1168,07 25 859,5 14 179,29 13 199,92 70 268,25 7 -10 512,11 -1168,07 25 106,3 13 426,10 12 350,55 82 618,80 8 -10 512,11 -1168,07 24 375 12 694,85 11 539,40 94 158,20 9 -10 512,11 -1168,07 23 665,1 11 984,90 10 764,89 104 923,09 10 -10 512,11 -1168,07 22 975,8 11 295, 62 10 025,48 114 948,57 11 -1168,07 22 306,6 21 138,53 18 539,12 133 487,69 12 -1168,07 21 656,9 20 488,82 17 756,23 151 243,92 2 A taxa de juro considerada para o empréstimo foi de 2,2%, mediante informação do Banco de Portugal, 2021, para empresas com empréstimos abaixo de 1 milhão de euros. 58 13 -1168,07 21 026,1 19 858,04 17 005,51 168 249,43 14 -1168,07 20 413,7 19 245, 63 16 285,64 184 535,08 15 -1168,07 19 819,1 18 651, 05 15 595,37 200 130,45 16 -1168,07 19 241,9 18 073,80 14 933,49 215 063,93 17 -1168,07 18 681,4 17 513,36 14 298,84 229 362,77 18 -1168,07 18 137,3 16 969, 24 13 690,30 243 053,07 19 -1168,07 17 609 16 440,97 13 106,83 256 159,90 20 -1168,07 17 096,1 15 928,08 12 547,38 268 707,28 Nesta Tabela 9.3 é possível observar o custo do ciclo de vida do sistema fotovoltaico, excluindo o cálculo dos juros e amortização que se encontram apresentados abaixo na Tabela 9.4. A manutenção, como já referido acima, foi considerada com uma taxa de 1,25% a cada ano, excluindo o ano 1, cujo valor de manutenção é mais baixo que os restantes anos. O valor da manutenção foi considerado constante ao longo dos anos (esta manutenção inclui limpeza e verificação da qualidade e bom funcionamento dos equipamentos. Seria alterado caso o sistema necessitasse de substituição de algum componente). A poupança refere-se à já referida acima poupança no gasto com eletricidade. As poupanças + despesas refere-se à soma de gastos e benefícios do sistema ao longo de cada ano (neste caso é considerada como despesa a prestação anual e a manutenção, e como benefício a poupança com a eletricidade). Denote-se que no 10º ano o pagamento do empréstimo foi concluído, portanto, a partir desse ano o valor da poupança sobe acentuadamente, decrescendo ligeiramente nos anos seguintes devido à degradação do sistema. O VP Anual (valor presente anual) refere-se à contabilização do empréstimo ao longo dos 20 anos, mediante uma taxa de desconto constante de 1,2%. O Fluxo de Caixa refere-se ao fluxo de dinheiro que passa na contabilidade do sistema fotovoltaico, ou seja, os ganhos e perdas, ao longo do período de tempo estipulado (20 anos). O Ano 0 do Fluxo de Caixa é relativo à entrada dada pelo cliente na compra do sistema (20% do valor total). Pode observar-se que o valor do fluxo de caixa no Ano 1 é negativo. No entanto, o crescimento nos anos que se seguem é linear (Figura 9.2) 65 [31] IRENA, 2019m disponível no site https://www.irena.org/solar - consultado em 10 de agosto de 2021 [32] Carneiro J., Passos M., 2020, Sistemas Fotovoltaicos – Fundamentos sobre Dimensionamento, Ed. 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Panel Efficiency12 20.3% 19.3% Rated Voltage (Vmpp) 54.7 V 54.7 V Rated Current (Impp) 5.98 A 5.67 A Open-Circuit Voltage (Voc) 64.9 V 64.4 V Short-Circuit Current (Isc) 6.46 A 6.05 A Max. System Voltage 1000 V UL & 1000 V IEC Maximum Series Fuse 15 A Power Temp Coef. –0.38% / o C Voltage Temp Coef. –176.6 mV / o C Current Temp Coef. 3.5 mA / o C REFERENCES: 1 All comparisons are SPR-E20-327 vs. a representative conventional panel: 250 W, approx. 1.6 m², 15.3% efficiency. 32 SunPower 0.25%/yr degradation vs. 1.0%/yr conv. panel. Campeau, Z. et al. “SunPower Module Typically 7–9% more energy per watt, BEW/DNV Engineering “SunPower Yield Report,” Jan 2013. Degradation Rate,” SunPower white paper, Feb 2013; Jordan, Dirk “SunPower Test Report,” NREL, Q1-2015. 4 “SunPower Module 40-Year Useful Life” SunPower white paper, May 2015. Useful life is 99 out of 100 panels operating at more than 70% of rated power. 5Survey, Feb 2014. Second highest, after SunPower X-Series, of over 3,200 silicon solar panels, Photon Module 6 8% more energy than the average of the top 10 panel companies tested in 2012 (151 panels, 102 companies), Photon International, Feb 2013. 7 Compared with the top 15 manufacturers. SunPower Warranty Review, May 2015. 8 Some restrictions and exclusions may apply. See warranty for details. 9 5 of top 8 panel manufacturers tested in 2013 report, 3 additional panels in 2014. Ferrara, C., et al. "Fraunhofer PV Durability Initiative for Solar Modules: Part 2". Photovoltaics International, 2014. 10 Compared with the non-stress-tested control panel. Atlas 25+ Durability test report, Feb 2013. 11 Standard Test Conditions (1000 W/m² irradiance, AM 1.5, 25° C). NREL calibration Standard: SOMS current, LACCS FF and Voltage. 12 Based on average of measured power values during production. 13 Type 2 fire rating per UL1703:2013, Class C fire rating per UL1703:2002. 14 See salesperson for details. 73 Product Warranty Combined Power and Product defect 25-year coverage that includes panel replacement costs 8 Please read the safety and installation guide. Tests And Certifications Standard Tests13 UL1703 (Type 2 Fire Rating), IEC 61215, IEC 61730 Quality Certs ISO 9001:2008, ISO 14001:2004 EHS Compliance RoHS, OHSAS 18001:2007, lead free, REACH SVHC-163, PV Cycle Sustainability Cradle to Cradle (eligible for LEED points)14 Ammonia Test IEC 62716 Desert Test 10.1109/PVSC.2013.6744437 Salt Spray Test IEC 61701 (maximum severity) PID Test Potential-Induced Degradation free: 1000 V9 Available Listings UL, TUV, JET, MCS, CSA, FSEC, CEC Operating Condition And Mechanical Data Temperature –40° F to +185° F (–40° C to +85° C) Impact Resistance 1 inch (25 mm) diameter hail at 52 mph (23 m/s) Appearance Class B Solar Cells 96 Monocrystalline Maxeon Gen II Tempered Glass High-transmission tempered anti-reflective Junction Box IP-65, MC4 compatible Weight 41 lbs (18.6 kg) Wind: 50 psf, 2400 Pa, 244 kg/m² front & back Max. Load Snow: 112 psf, 5400 Pa, 550 kg/m² front Frame Class 2 silver anodized; stacking pins SunPower E-Series Commercial Solar Panels E20-327-COM 74 SUN2000-100KTL-M1 10 98.8% (@480V) Gerenciamento no Suporte para MPPTs Max. Eficiência nível de String Diagnóstico Inteligente 81 82 ANEXO C EXCEL TABELAS ANÁLISE FINANCEIRA 83 Equipamentos e Instalação 84 Energia Produzida ANO 1 85 Energia Produzida 20 ANOS 86 Poupança 20 ANOS 87 Análise Financeira 88 89 Valor em Dívida