An. 4. Enc. Energ. Meio Rural 2002

 

Sistemas fotovoltaicos e sistemas híbridos para eletrificação residencial rural

 

 

Gilnei Carvalho Ocácia^I; João Carlos Vernetti dos Santos^II; Renato de Ávila Cônsul^III

^IDepartamento Ciências Agrárias. Universidade Luterana do Brasil. 92420-280 Canoas-RS tel: (051) 477-9285 fax (051) 477-1313
^IIDepartamento Engenharia Elétrica. Universidade Luterana do Brasil. 92420-280 Canoas-RS tel: (051) 477-9285 fax (051) 477-1313
^IIIDepartamento Matemática. Universidade Luterana do Brasil. 92420-280 Canoas-RS tel: (051) 477-9285 fax (051) 477-1313

 

 

---

RESUMO

Este trabalho consiste no desenvolvimento de método para especificação de sistemas para energização rural residencial com utilização de painéis fotovoltaicos e de unidades híbridas (aerogeradores e painéis fotovoltaicos), complementados pela utilização de madeira para produção de calor. Foi desenvolvido um software para dimensionamento do sistema de suprimento elétrico através de dados de radiação solar e de velocidades médias mensais de vento. O método foi testado na região nordeste do RS.
A carga elétrica principal é composta por lâmpadas compactas de 15 W, refrigerador de 290 L e televisor color 14". Os usuários são orientados para utilizar racionalmente a energia perfazendo um consumo mensal médio de 40 kWh. O consumo de madeira é de difícil quantificação e controle, pois o seu uso é tradicional na região, inclusive nas áreas urbanas. Na zona rural, a maior parte da madeira é obtida de resíduos florestais na propriedade onde é consumida. Já nas cidades, onde a lenha é adquirida de terceiros, as estimativas apontam para um consumo médio próximo de 1,5 estéreos, ou aproximadamente 3.300 kWh/mês.
Os sistemas de geração de energia elétrica, especificados após os devidos ajustes no método, apresentam as seguintes configurações: a) cinco painéis PV de 75 W; e, b) um aerogerador de 400 W e dois painéis PV de 75 W. Ambos os sistemas, são compostos pelos seguintes periféricos: banco de seis baterias, 12 V, 115 Ah; controlador de carga; e, inversor CC/CA de 1000W.

---

ABSTRACT

This work consists of the development of method for specification of systems for residential rural energização with use of panels fotovoltaicos and of hybrid units (aerogeradores and panels fotovoltaicos), complemented by the wood use for production of heat. A software was developed for dimensionamento of the system of electric supply through data of solar radiation and of monthly medium speeds of wind. The method was tested in the northeast area of RS.
The main electric charge is composed by compact lamps of 15 W, refrigerator of 290 L and television color 14." The users are guided to use the energy perfazendo rationally a medium monthly consumption of 40 kWh. The wood consumption is of difficult quantification and control, because his/her use is traditional in the area, besides in the urban areas. In the rural area, most of the wood is obtained of forest residues in the property where is consumed. Already in the cities, where the firewood is acquired of third, the estimates appear for a close medium consumption of 1,5 stereos, or approximately 3.300 kWh/mês.
The systems of electric power generation, specified after the due fittingses in the method, they present the following configurations: the) five panels PV of 75 W; and, b) an wind generator of 400 W and two panels PV of 75 W. Both systems, they are composed by the following ones outlying: I support of six batteries, 12 V, 115 Ah; load controller; and, investor CC/CA 1000W.

---

 

 

INTRODUÇÃO

O aproveitamento de fontes renováveis de energia, obtido através da transformação direta de recursos naturais como a força do vento e a energia solar direta, constitui importante opção nos lugares onde não há rede elétrica ou onde a extensão desta seja inviável economicamente (OCÁCIA e CÔNSUL, 1999). Tal situação ocorre especialmente nos meios rurais afastados de centros urbanos, onde há baixa densidade populacional e baixa renda per capita. Pequenos aproveitamentos hidrelétricos podem ser a solução mais viável, onde esta fonte estiver disponível. Outras opções, como as usinas termelétricas e hidrelétricas de grande porte, enfrentam crescente resistência, devido ao impacto ambiental muito grande à fauna e flora locais.

Por outro lado, nos sistemas de suprimento de energia elétrica, isolados, de pequeno porte, o papel da geração de energia está mais vinculado com o social do que o econômico. Os países em desenvolvimento não conseguem fornecer energia elétrica a todos os seguimentos da sociedade, principalmente, os setores mais afastados dos pontos de distribuição, como é o caso das pequenas propriedades rurais.

Estes pequenos produtores rurais, sem dispor dos benefícios oriundos da eletricidade, muitas vezes e com muita freqüência, abandonam suas propriedades em busca de uma qualidade de vida melhor nos grandes centros urbanos do país.

No Rio Grande do Sul, existem 130.000 propriedades rurais que não dispõem de energia elétrica, segundo estimativas da FAMURS (1997). Há uma expectativa que apenas 30.000 destas propriedades rurais, possam ser atendidas pela rede elétrica convencional. As demais, poderiam ter energia elétrica com o aproveitamento de fontes locais e renováveis de energia tais como: solar direta, biomassa, hidráulica e eólica.

Na maior parte das propriedades rurais não eletrificadas, os proprietários tem baixo poder aquisitivo. Para estas pessoas, iluminação e um aparelho de comunicação tipo rádio ou televisão, representam uma grande melhoria em sua qualidade de vida, mas especialmente a refrigeração para conservação de alimentos, tem uma extraordinária importância.

A importância de sistemas de predição

O dimensionamento e a operação de sistemas fotovoltaicos autônomos com bateria são influenciados pelas condições climáticas locais e pelas características do consumo de energia, o qual sofre também influência do clima. No lado da geração, uma variação da temperatura ambiente pode alterar a tensão nos terminais de um painel fotovoltaico bem como da bateria, sendo que temperaturas mais elevadas reduzem o rendimento global do sistema. No lado do consumo, um refrigerador situado em região de maior latitude, por exemplo, opera durante um maior número de horas no verão, quando a temperatura ambiente é geralmente mais elevada. A iluminação, por outro lado, responde por uma parcela de consumo mais elevada no inverno, em virtude do menor número de horas de sol. Todos estes aspectos, bem como o tamanho nominal e o tipo dos componentes do sistema, determinam o regime de carga/descarga a que estará submetido o banco de baterias, com repercussão direta sobre a eficácia e sobre os custos do sistema.

A instalação de plantas-piloto é fundamental para avaliar todos estes problemas, pois viabiliza o monitoramento detalhado da operação destes sistemas a partir de uma ou mais plantas típicas, onde diversas situações de geração e de consumo podem ser arranjadas. O conhecimento e a análise dos dados monitorados permitem o estabelecimento de relações entre grandezas de interesse, possibilitando o desenvolvimento e validação de um método de dimensionamento adequado a situações reais. Uma vez validado, o método pode ser transcrito para uma linguagem de programação, permitindo a simulação e dimensionamento de diversas configurações de sistemas. Com o estudo de diferentes sistemas é possível realizar uma análise de sensibilidade, estabelecendo desta forma sistemas padronizados para situações típicas, o que poderia acarretar, em última análise, em redução global de custos. Um programa de computador que ofereça estas possibilidades torna-se uma ferramenta útil para utilização em estudos de planejamento energético.

 

DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS

. O dimensionamento de sistemas fotovoltaicos e/ou eólicos inclui, geralmente, a implementação dos seguintes passos:

a. Estabelecimento da finalidade da aplicação

b. Estimativa da demanda de energia (cenários/hipóteses),

c. Estimativa do potencial de energia solar/eólica (cenários/hipóteses),

d. Estabelecimento do conceito de sistema (tipos de componentes e configuração do sistema),

e. Estabelecimento de critérios técnicos de avaliação,

f. Dimensionamento (estimativa do tamanho nominal dos componentes) do sistema, considerando os cenários e critérios adotados,

g. avaliação econômica (análise de sensibilidade),

Então é realizada a seleção final de uma alternativa, sob a consideração adicional de fatores externos de influência e de condições de contorno locais.

O programa computacional

Foi desenvolvida a versão BETA de um "software" para seleção de sistemas fotovoltáicos e eólicos.

O SmS-RGE Beta 1.0 é uma ferramenta de fácil manuseio, que permite o dimensionamento de sistemas regenerativos de energia, os quais são visualizados na forma de circuitos monofilares em janelas individuais de projeto.

O programa disponibiliza seis configurações diferentes de sistemas, as quais podem ser selecionadas pelo usuário para a finalidade de dimensionamento. O sistema selecionado pode ser gravado em arquivo no disco rígido com formato especial do programa, podendo ser posteriormente reutilizado.

Um conjunto de símbolos gráficos de componentes (geradores fotovoltaicos, aerogeradores, bateria, controlador de carga, inversores, bem como cargas cc e ca) forma cada uma das configurações de sistemas. Cada componente é modelado de forma que poucos parâmetros externos são requeridos. Para visualizar e alterar os parâmetros/propriedades de cada componente, basta clicar sobre o componente e seguir as instruções indicadas.

Após atribuir propriedades aos componentes, o usuário pode mandar o programa dimensionar o sistema. Fazendo isto, o sistema é simulado e os resultados do dimensionamento são apresentados ao lado do sistema na mesma janela de projeto.

Componentes

Os seguintes componentes de sistemas regenerativos estão disponíveis no SmS-RGE:

a. Gerador fotovoltaico : O símbolo para um gerador fotovoltaico dispõe além da figura correspondente um terminal para conexão monofilar. O componente é simulado matematicamente através do modelo de um diodo.

b. Aerogerador : O símbolo para um aerogerador dispõe além da figura correspondente um terminal para conexão monofilar. Suas propriedades editáveis são dadas através de um banco de dados, oferecendo ao usuário a possibilidade de entrar com dados de velocidade de vento média mensal. O modelo de aerogerador disponível tem seu nome indicado. Internamente, o programa utiliza uma curva de velocidade de vento versus energia elétrica de saída do aerogerador.

c. Controlador de carga : O símbolo para um controlador de carga dispõe além da figura correspondente um terminal para conexão monofilar. Suas propriedades estão combinadas com as propriedades do banco de baterias, incluindo autonomia do sistema (número de dias em que as cargas são atendidadas unicamente pelo banco de baterias) e profundidade de descarga máxima admissível. Outros parâmetros, como eficiência de carga, coeficiente de descarga e outros, são definidos internamente pelo programa.

d. Inversor : O símbolo para um inversor dispõe além da figura correspondente um terminal para conexão monofilar. A propriedade editável é o seu rendimento nominal em percentagem.

e. Banco de baterias : O símbolo para um banco de baterias dispõe além da figura correspondente um terminal para conexão monofilar. Três tamanhos de baterias são oferecidos para o usuário selecionar, em função da capacidade em Ah por bateria. A tensão nominal de todos os modelos é de 12 volts (na simulação, o programa dimensiona o banco de baterias em 12 volts para sistemas fotovoltaicos e em 24 volts para sistemas eólicos e híbridos).

f. Carga em corrente contínua cc : O símbolo para carga dispõe além da figura correspondente um terminal para conexão monofilar. Suas propriedades editáveis são: consumo diário médio mensal ou um perfil médio anual diário (curva de carga). Os valores médios diários podem ser em Wh, kWh ou MWh.

g. Carga em corrente alternada ca : O símbolo para carga dispõe além da figura correspondente um terminal para conexão monofilar. Suas propriedades editáveis são: consumo diário médio mensal ou um perfil médio anual diário (curva de carga). Os valores médios diários podem ser em Wh, kWh ou MWh.

Sistemas

O programa possui os seguintes tipos pré-definidos de sistemas, sendo que cada um consiste de diferentes componentes (geradores, conversores e cargas):

1. Sistema fotovoltaico em corrente contínua
2. Sistema eólico em corrente contínua
3. Sistema fotovoltaico em corrente alternada
4. Sistema eólico em corrente alternada
5. Sistema híbrido em corrente contínua
6. Sistema híbrido em corrente alternada

 

VALIDAÇÃO DO MODELO

Os equipamentos consumidores utilizados no desenvolvimento do método de dimensionamento computadorizado foram definidos através das características técnicas de equipamentos comerciais, bem como através de perfis típicos de carga, combinados com o processo estocástico desenvolvido por SANTOS (1996).

Inicialmente foram estabelecidos três tipos de carga:

a) somente lâmpadas, com geração de energia através de um painel PV, 75W (figura 1);

b) lâmpadas e TV, com geração de energia através de dois painéis PV (figura 2); e,

c) lâmpadas, TV e refrigerador, com geração de energia através de painéis PV e/ou de um aerogerador (figura 3 e figura 4).

 

 

 

 

 

 

 

 

Do aprofundamento dos contatos com possíveis usuários; de um melhor conhecimento sobre o local; e da operação em condições reais de funcionamento dos sistemas, resultaram alguns ajustes no software, estabelecendo modificações em relação à configuração inicial dos modelos propostos para geração.

a. todos os sistemas passaram a contar com inversor, mesmo aqueles onde inicialmente estava previsto apenas iluminação, pois isto permite o uso eventual de pequenos eletrodomésticos convencionais

b. os sistemas com refrigerador passaram a contar com um conjunto de seis baterias - três conjuntos, em paralelo, de baterias em série, duas a duas (inicialmente haviam sido dimensionados com quatro baterias).

c. o inversor de 12Vcc / 115Vvca, 600W, utilizado nos sistemas com cinco painéis fotovoltáicos em série, teve que ser substituído por um de 1000 W para suportar a partida do refrigerador;

d. os sistemas eólicos foram instalados em paralelo com sistemas fotovoltáicos de dois painéis em série devido a não confirmação das condições de vento preditas.

A partir dessas considerações, as atuais configurações das unidades de geração para os sistemas com refrigerador, para as condições de radiação solar e de ventos da região onde foram instalados os sistemas (municípios de São Francisco de Paula e Cambará), são às seguintes:

Sistemas fotovoltaicos:

a. 5 painéis fotovoltáicos modelo Atersa de 75 Wpico;

b. controlador

c. seis bateria delphi 2000 de 110 Ah;

d. um inversor statpower 1000.

Sistemas híbridos:

a. 2 painéis fotovoltáicos modelo Atersa de 75 Wpico;

b. um aerogerador Mariner 403, de 400 W

c. controlador

d. seis bateria delphi 2000 de 110 Ah;

e. um inversor statpower 1000.

 

CONCLUSÕES

Os sistemas locais de produção de energia elétrica a partir de energia solar direta e de energia eólica, ainda apresentam um custo elevado em relação ao do kWh dos sistemas convencionais, entretanto apresentam algumas características que os tornam competitivos mediante algumas condições, onde as duas principais são: a distância em que o usuário se encontra da rede elétrica e o fator de carga da futura rede.

Quando o usuário está afastado da rede, o custo de implantação do sistema pode ser muito elevado, havendo competitividade dos sistemas autônomos, seguramente, para distâncias superiores a 2,5 km, podendo, mesmo, em alguns casos, haver competitividade para distâncias muito pequenas, em função de características locais de topografia e/ou por questões ambientais onde exista a necessidade de desmatamento para possibilitar a passagem de rede, ou, ainda, por uma demanda muito pequena.

As principais vantagens de um sistema autônomo são as seguintes:

• geração local de energia; não há necessidade de linhas de transmissão;
• uso de fontes renováveis de energia;
• custo fixo no horizonte temporal de vida útil da instalação, exceto pela reposição de baterias;
• elevada confiabilidade;
• instalação modular que pode ser expandida gradualmente

As principais desvantagens de um sistema autônomo são as seguintes:

• investimento inicial elevado;
• atualmente, somente é viável para instalações afastadas da rede elétrica;
• pequena disponibilidade de potência;

Na energização de uma residência rural, através de fontes renováveis de energia, é sempre conveniente a combinação de energéticos ou de processos de produção de energia, tomando como parâmetros a energia útil e o potencial local. Especificamente, quando a geração de energia elétrica é via painéis fotovoltáicos ou aerogeradores, o aquecimento de água, decididamente, não pode passar pelo uso de energia elétrica, devendo ser realizado pela utilização de madeira ou de coletores solares para aquecimento.

O uso de aerogeradores, para o tipo de sistema proposto no desenvolvimento deste trabalho, somente pode ser adotado, de forma isolada, quando a velocidade média do vento no mês em que este apresenta seu valor mais baixo, for da ordem de 5 m/s, caso contrário, é mais conveniente o uso de sistema híbrido, com dois painéis fotovoltáicos. Quando a média anual for inferior a 4 m/s, é mais interessante o uso do sistema com cinco painéis fotovoltáicos, sem o uso de aerogerador.

Os sistemas isolados exigem que haja um treinamento dos usuários para que não desperdicem energia de forma alguma, pois isso implica em indisponibilidade por um período correspondente ao desperdício e/ou na necessidade de maiores investimentos na geração e no sistema de armazenamento, elevando o custo da energia utilizada. Este treinamento tem que ser muito bem conduzido de forma que as pessoas entendam que usar racionalmente a energia não significa sacrificar o conforto, mas sim obtê-lo pelo menor custo possível.

 

AGRADECIMENTOS

A RGE (Rio Grande Energia) financiadora do projeto "Desenvolvimento de Metodologia para Dimensionamento de Sistemas Fotovoltaicos e Eólicos com Implantação de Unidades Experimentais/Demonstrativas".

 

REFERÊNCIAS

[1] OCÁCIA, G. e CONSUL, R. A. (1999). Aero-geradores de pequeno porte (400W a 1000W). III FOREMA (Fórum Regional de Energia e Meio Ambiente), Canoas.

[2] FAMURGS (1988) Anuário Estatístico dos Municípios. Porto Alegre.

[3] SANTOS, J. C. VERNETTI DOS. (1998) Sistema fotovoltaico para suprimento de energia elétrica para domicílios rurais do RGS: monitoramento e simulação. Anais do IV Encontro do Fórum Permanente de Energias Renováveis, promovido pelo Ministério de Ciência e Tecnologia. Recife, Novembro de 1998.