Dimensionando o Kit Fotovoltaico Sem Precisar da Conta de Energia

Frequentemente, após ministrar cursos, sou questionado sobre como dimensionar um sistema fotovoltaico conectado à rede elétrica para uma casa que ainda está em construção e que, portanto, não possui uma conta de energia disponível. Embora a solução seja simples, ela muitas vezes passa despercebida, pois se baseia no levantamento de carga para calcular o consumo de energia — uma prática comum em cursos de engenharia.

Com o spoiler já dado sobre o levantamento de carga, as etapas seguintes são: selecionar um valor de irradiação solar diária média, calcular consumo anual com base no levantamento de carga, e calcular a potência do kit fotovoltaico.

O levantamento de carga, para quem não conhece, é feito multiplicando a potência de cada equipamento pela quantidade de unidades e pelas horas de uso, resultando na energia consumida.

Vamos agora dimensionar um sistema fotovoltaico para um cliente hipotético que tem uma previsão dos equipamentos que usará e em quais horários. A ideia é separar as horas de uso em dia e noite. A Tabela 1 mostra como deve ser feito esse levantamento junto ao cliente, quando a conta de energia ainda não está disponível.

Uma dica importante é considerar, para equipamentos como geladeiras e ar-condicionado, o consumo diário de um modelo de referência, já que esses aparelhos possuem motores que funcionam de acordo com o sistema inteligente dos equipamentos e uso. Este consumo fica na etiqueta no INMETRO.

Tabela 1. Levantamento de Carga do Cliente Exemplo.

Para dimensionar o sistema fotovoltaico, vamos considerar a irradiação solar diária média de 4,5 kWh/m²dia. No site CRESESB você pode encontrar o valor da cidade do seu cliente.

O próximo passo é calcular a geração anual de energia, que será feita utilizando Equação 1, que é uma simples multiplicação com base na energia da Tabela 1.

Por fim, para determinar a potência do kit fotovoltaico necessário, basta aplicar a Equação 2. De forma bastante simples, você já terá o valor da potência do kit que poderá procurar em seu distribuidor. Nesse cálculo, consideramos o fator de performance, que leva em conta as perdas no processo de geração e dimensionamento. Para este exemplo, adotamos um fator de performance de 0,75. Esse valor é ligeiramente conservador, pois quando temos a conta de energia disponível, é comum utilizarmos um fator de 0,8.

Resultado para o exemplo:

O valor do inversor que acompanha o kit fotovoltaico geralmente é calculado pelo distribuidor, sendo aproximadamente 0,75 vezes a potência do sistema fotovoltaico. A explicação para essa escolha pode ser encontrada em outro artigo do blog.

Todos os cálculos apresentados aqui foram realizados de forma rápida utilizando Python, através de linhas de comando simples, porém pode ser feito rapidamente na calculadora ou manualmente.

Obs. Importante: SEMPRE devemos simular para verificar se o kit escolhido realmente atende ao cliente, principalmente se o local tiver sombras. Esse cálculo é um valor aproximado, e não ótimo.

Bom, se você chegou até aqui no artigo e entendeu o que foi discutido, deve estar se perguntando: “Professor, qual a diferença de considerar dia e noite?”.

Lembra de algo que foi bastante comentado nas redes após a Lei 14.300, chamado "fator de simultaneidade"? Pois bem, com essa análise de consumo diurno e noturno, você pode estimar o payback do seu cliente de forma mais precisa. Isso porque terá em mãos a porcentagem da carga utilizada durante a noite, o que permite uma aproximação mais fiel do fator de simultaneidade. Interessante, não é? Basta somar as cargas de uso diurno e noturno.

Para esse caso específico, o resultado foi o seguinte:

Em sequência deixo o código que utilizei, bons estudos e projetos!

import pandas as pd

# Equipamentos utilizados, para alterar é só olhar a respectiva coluna
equipamentos = {
    'Equipamento': ['Lâmpada', 'Geladeira', 'Televisão', 'Ventilador', 'Chuveiro', 'Máquina de Lavar', 'Computador', 'Micro-ondas'],
    'Potência (W)': [15, 150, 100, 50, 4000, 500, 200, 1200],
    'Quantidade': [10, 1, 3, 3, 1, 1, 1, 1],
    'Horas de Uso': [5, 10, 4, 8, 0.5, 2, 4, 0.5],
    'Turno de Uso': ['Noite', 'Dia e Noite', 'Noite', 'Noite', 'Dia', 'Dia', 'Dia e Noite', 'Dia']
}


df = pd.DataFrame(equipamentos)
# Energia consumida por equipamento (Potência * Quantidade * Horas de Uso)
df['Energia (Wh/dia)'] = df['Potência (W)'] * df['Quantidade'] * df['Horas de Uso']

# Calculando a energia total
energia_total = df['Energia (Wh/dia)'].sum()

# Adicionando uma linha com o total da energia consumida
df_total = pd.DataFrame({
    'Equipamento': ['Energia Total'],
    'Potência (W)': [''],
    'Quantidade': [''],
    'Horas de Uso': [''],
    'Turno de Uso': [''],
    'Energia (Wh/dia)': [energia_total]
})

# Criando e Exibindo Tabela
df = pd.concat([df, df_total], ignore_index=True)
print(df)


irradiancia_diaria = 4.5  # kWh/m²dia
fp = 0.75  # Fator de performance (Perdas)

# Calculando a energia anual (em Wh)
energia_anual = energia_total * 365  # Wh/ano

# Convertendo energia anual para kWh
energia_anual_kWh = energia_anual / 1000  # kWh/ano

# Calculando a potência necessária do sistema fotovoltaico
potencia_fv = (energia_anual_kWh / (irradiancia_diaria * 365)) / fp  # kWp

# O kit fotovoltaico deve ser:
print(f"Energia Anual: {energia_anual_kWh:.2f} kWh")
print(f"Potência necessária do sistema FV: {potencia_fv:.2f} kWp")

# Fator de Simultaneidade

# Separando o consumo diurno e noturno
df['Consumo Noturno (Wh/dia)'] = df.apply(
    lambda row: row['Energia (Wh/dia)'] if row['Turno de Uso'] == 'Noite' 
    else row['Energia (Wh/dia)'] / 2 if row['Turno de Uso'] == 'Dia e Noite'
    else 0, axis=1)

df['Consumo Diurno (Wh/dia)'] = df.apply(
    lambda row: row['Energia (Wh/dia)'] if row['Turno de Uso'] == 'Dia' 
    else row['Energia (Wh/dia)'] / 2 if row['Turno de Uso'] == 'Dia e Noite'
    else 0, axis=1)

# Calculando o consumo total noturno e diurno
consumo_noturno_total = df['Consumo Noturno (Wh/dia)'].sum()
consumo_diurno_total = df['Consumo Diurno (Wh/dia)'].sum()

# Calculando o percentual de consumo noturno em relação ao total
percentual_noturno = (consumo_noturno_total / energia_total) * 100
percentual_diurno = (consumo_diurno_total / energia_total) * 100

print(f"Consumo Noturno Total: {consumo_noturno_total:.2f} Wh/dia")
print(f"Consumo Diurno Total: {consumo_diurno_total:.2f} Wh/dia")
print(f"Percentual de Consumo Noturno: {percentual_noturno:.2f}%")
print(f"Percentual de Consumo Diurno: {percentual_diurno:.2f}%")