An. 3. Enc. Energ. Meio Rural 2003

 

Sistema híbrido Eólico-Fotovoltáico: alternativa na geração descentralizada de eletricidade para áreas rurais isoladas

 

 

Luiz Antonio Rossi

Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Agrícola, Departamento de Construções Rurais e Ambiência, Cidade Universitária "Zeferino Vaz", Distrito de Barão Geraldo, Caixa Postal: 6011, CEP: 13083-970, Campinas, SP, Brasil, Tel: +55(019)788-1041 e Fax: +55(019)788-1010

Endereço para correspondência

 

 

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RESUMO

Na maioria dos países em desenvolvimento, as características da demanda de energia no setor rural, especialmente baixa densidade populacional e limitado poder aquisitivo, elevados investimentos em rede de distribuição e baixo consumo de energia dificultam a expansão desta forma mais convencional de suprimento de eletricidade. Muitos estudos tem relatado que sistemas descentralizados, e sua inserção no processo de energização rural, podem superar estas dificuldades.
Este trabalho descreve uma metodologia apropriada e original para, através da simulação em computador, serem realizados estudos visando a geração descentralizada de energia elétrica usando sistema eólico-fotovoltáico. Ela atende ao planejamento descentralizado e ao suprimento energético de localidades situadas em áreas isoladas, pequenas comunidades rurais, propriedades agrícolas, etc..
Podem ser realizadas análises técnicas, que consideram as variáveis mais significativas do sistema eólico-fotovoltáico, visando o dimensionamento do sistema. Uma característica importante do modelo de simulação é considerar a variabilidade e a disponibilidade do recurso solar numa base horária. Desta forma, situações e condições muito próximas daquelas que realmente ocorreriam podem ser simuladas.
Com o algoritmo de cálculo empregado, podem ser determinadas, dentre outras, as seguintes quantidades: fator de capacidade, fator de utilização, potência instalada, energia anual gerada e a probabilidade de déficit. Um exemplo de atendimento a uma demanda específica é dado. Pelos resultados foram comprovadas as características e versatilidade intrínsecas ao modelo de simulação.

Palavras-chave: Energização Rural, fontes alternativas, sistemas integrados, energia fotovoltáica, energia eólica.

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ABSTRACT

In most developing countries the characteristics of energy demand in the rural context, especially for both the low population densities and the low income people, the heavy investments in the distribution network and the low consumption have restricted the spreading of this more convenient way of energy supply. Many studies relate that decentralized systems and its insertion in the rural energizing process can overcome these barriers.
This work describes an appropriate and original methodology for evaluating the generation of electrical energy by using hybrid aeolian-photovoltaics systems. The methodology is used in energy planning to supply small remote communities and farms. With this methodology, several technical analysis can be carried out involving parameters and variables of the aeolian-photovoltaic systems.
The simulation model takes into consideration the variability and the availability of the resources. This is made on an hourly basis. With this is possible to simulate real situations and conditions. The model calculates the capacity factor, utilization factor, installed power, annual energy generated and the loss of power supply probability.
Using the proposed method, a hybrid aeolian-photovoltaic system was simulated to supply a specific energy demand and the results are presented. The results have shown that the new model is very flexible and reliable.

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INTRODUÇÃO E REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

O suprimento energético ao meio rural tem sido um grande desafio, especialmente nos países subdesenvolvidos e em desenvolvimento, devido às enormes disparidades econômicas e sociais e às dimensões geográficas destes países, conforme (LEWIS, 1984), (MINISTÉRIO DA AGRICULTURA, 1984) e (CORREIA, 1992). Especificamente no Brasil, perto de 70% das propriedades agrícolas não recebe energia elétrica da rede pública (MINISTÉRIO DA AGRICULTURA E REFORMA AGRÁRIA, 1991).

No decorrer dos anos, os custos sempre crescentes dos sistemas de geração, transmissão a grandes distâncias e das linhas rurais para atender locais isolados e áreas com baixa densidade populacional inviabilizaram, praticamente, os programas de expansão da eletrificação tradicional.

A crescente demanda reprimida do setor rural, as dificuldades do setor elétrico, as pressões políticas e sociais exigem, na busca de soluções, o engajamento de outros setores (privado) e outros agentes (prefeituras, sindicatos, cooperativas, entidades de ensino e pesquisa e proprietários) no desenvolvimento de alternativas energéticas para o campo (REIS e MORALES, 1994).

Diante do exposto, e dos relatos tanto de estudos de casos feitos por (SHANKER e KRAUSE, 1992), (VERA, 1992) e (CAMPOS, 1993), quanto de métodos de análise expostos por (CHABOT, 1992), (CHAER e ZEBALLOS, 1993), (ROSSI, 1995) e (CARVALHO et al), deve-se notar que são imprescindíveis a intensificação dos estudos no sentido da exploração das potencialidades dos recursos endógenos e o estabelecimento de metodologias que identifiquem o melhor e mais adequado sistema de suprimento de energia (ABADE et al). Esta forma de ação complementaria os programas de expansão da eletrificação rural por linhas de transmissão.

No caso deste trabalho, o enfoque foi dirigido à elaboração de metodologia para auxiliar os estudos técnicos do planejamento da geração de energia elétrica. É proposto um modelo de simulação de operação de um sistema híbrido que utiliza painéis fotovoltáicos e aerogeradores para gerar energia elétrica.

Uma de suas principais características é que ele leva em consideração a variabilidade e a disponibilidade dos recursos numa base horária, permitindo, assim, simular o sistema em condições muito próximas daquelas que realmente ocorrem.

 

MATERIAL E MÉTODOS

A análise da demanda e do suprimento energético nos setores rural e agrícola, com especial referência à energia renovável, gerou o conceito de sistemas integrados de geração de energia. Dentre estes, o sistema híbrido. Ele é definido como uma combinação de fontes energéticas convencionais e renováveis dimensionadas para atender os requisitos de energia daqueles setores.

O sistema híbrido é composto, preferencialmente, por módulos fotovoltáicos com suas estruturas e controladores próprios, grupo motor diesel-gerador elétrico com chave de transferência, aerogeradores com suas torres de montagem, seus reguladores, centro de carga e anemômetro, conjunto de baterias, inversores DC/AC, e, dependendo do caso, transformador e rede de distribuição. A combinação, também, com aproveitamento hidráulico pode apresentar aspectos interessantes sob o ponto de vista da complementaridade, o que permitiria otimizar o(s) sistema(s) segundo as disponibilidades dos recursos primários e as características da demanda e do consumo.

Faz aqui a análise de um sistema eólico-fotovoltáico. A complementaridade deste arranjo pode ter um caráter sazonal, já que esta aconteceria quando, em certa época do ano, ocorressem ótimas condições de radiação solar e fraca intensidade de velocidades de vento, ou vice-versa.

A integração dos recursos radiação solar e vento é feita através da eletricidade por eles gerada e armazenada em baterias eletroquímicas. Após, a energia pode ser usada nas formas DC, diretamente, ou AC, com o auxílio de um sistema de condicionamento de potência.

Quando a análise envolve sistemas integrados que usam recursos renováveis, em função de suas características intrínsecas: variabilidade, baixa densidade energética, localização específica, etc., existe uma certa complexidade em se dimensionar e analisar tais sistemas. Assim, por causa desta não constância na ocorrência e nas quantidades, é necessário o emprego de modelos que simulem o desempenho e o comportamento daqueles sistemas.

O modelo de simulação opera numa base horária, isto é os dados relativos à radiação solar, à velocidade do vento, à demanda e os resultados, em termos das energias envolvidas, são todos para cada hora do dia. Os parâmetros relevantes para o sistema híbrido são aqueles mostrados nas figuras 1 e 2, respectivamente, para o arranjo fotovoltáico e para o eólico.

 

 

 

A velocidade horária do vento constitui-se em dado de entrada e é baseada na média mensal do local. Um outro parâmetro importante é a radiação solar incidente, a qual permite estimar a energia disponível no local. Esta radiação é calculada através de metodologia citada e usada em (ROSSI, 1995). Também, são necessários dados da radiação solar mensal no plano horizontal.

Com isto, o programa computacional determina a radiação efetiva que incide no plano do painel com a inclinação desejada. Isto porque são determinados, para cada dia do ano, o fotoperíodo, a hora do nascer do sol e a hora do pôr-do-sol. Aqui, considera-se apenas a opção painel fixo(sem rastreamento solar), pois esta caracteriza-se como a configuração com menor custo de instalação.

Do lado da carga, faz-se o mesmo com a demanda. Ou seja, dados horários da potência solicitada pela carga são necessários. A figura 3 ilustra a introdução destes dados. Nota-se que os valores horários podem ser repetidos para um dia e/ou para um mês e armazenados num arquivo de dados com a extensão .CFG.

 

 

O algoritmo de cálculo empregado baseia-se em equações e conceitos descritos em (ROSSI, 1995). Com ele é possível determinar, entre outras, as seguintes quantidades: fator de capacidade do sistema eólico-fotovoltáico, a potência instalada, as energias disponível e utilizada pela carga, o fator de utilização do sistema e a probabilidade de déficit.

 

RESULTADOS E DISCUSSÃO

As operações e comandos, que aparecem na tela do computador, a serem realizados pelo operador ou usuário obedecem a seqüência: seleção e configuração do sistema de geração, entrada de dados da fonte solar, da fonte eólica e da demanda, realização da simulação e obtenção dos resultados.

Com o modelo de simulação desenvolvido, um exemplo de um sistema atendendo uma determinada demanda horária foi realizado. Especificamente, analisa-se aqui o efeito da sazonalidade. Esta é caracterizada pela variabilidade nas quantidades de energia e potência produzidas por sistemas de geração, no período de tempo analisado, quando existem restrições, respectivamente, de disponibilidade do recurso primário e de potência instalada.

No caso de recursos renováveis esta variabilidade ocorre em função do caráter altamente aleatório dos fluxos naturais destes recursos. Este fato confere às fontes renováveis uma elasticidade operativa muito baixa.

Portanto, através do estudo do efeito da sazonalidade, um sistema de geração de energia pode suprir os picos de demanda e as quantidades de energia de forma mais adequada, evitando, assim, o superdimensionamento das instalações e/ou do sistema de armazenamento.

O modelo de simulação desenvolvido permite que se efetue este tipo de estudo, pois proporciona ao usuário a opção de escolher, dentro do período de um ano, tanto a data de início quanto o número de dias do intervalo de estudo desejado.

0 caso apresentado a seguir procura mostrar, de maneira simples, como é feito o suprimento não só da demanda máxima, mas também da energia horária quando há falta do recurso e/ou de potência instalada.

Utilizando arquivos de dados do programa, simulou-se o sistema eólico-fotovoltáico atendendo uma carga, cujo consumo diário é 133,5 kWh e demanda máxima de 15 KW, durante o período de dois dias. 0s resultados de algumas variáveis estão dados na tabela 1.

Com a finalidade de ilustrar a descrição deste caso, usando-se os valores horários de algumas variáveis dos arquivos de dados do modelo computacional e da tabela 1, os gráficos I e II foram traçados.

 

 

 

No gráfico I, pelo comportamento da variável EGAS (energia disponível da fonte fotovoltáica), vê-se que, nos intervalos da 1^a à 5^a hora e da 18^a à 24^a hora, os painéis fotovoltáicos não geram energia por ausência de radiação solar, o que era de se esperar. Quem o faz e atendendo toda demanda horária e carregando a bateria é a fonte eólica. Isto é mostrado (gráficos I e II) pelos valores horários de EGACE (energia gerada pela fonte eólica para atender a carga) e CB (condição de armazenamento da bateria coletiva).

Outro detalhe importante é evidenciado pela condição de armazenamento do conjunto de baterias (coluna CB da tabela 1 e gráfico II). Isto é, quando do início da operação (1^a hora do dia 01/01), por suposição, o conjunto de baterias estava com 80% (carga inicial) de sua capacidade máxima, no caso 70 kWh; já ao final do 1^o dia e início do 2^o dia, estava com, praticamente, 62% daquela capacidade e, ao final do 2^o dia, estava com os mesmos 62% de capacidade, voltando a se carregar totalmente até a 12^a hora do 2^o dia. Isto mostra que o conjunto de baterias está dimensionado para atender as solicitações da demanda.

Portanto, mantida esta tendência e lembrando que a carga deixa de ser atendida pela bateria quando esta atinge o valor mínimo de 20% da capacidade máxima (por razões de segurança), percebe-se, pela coluna de Déficit, que não ocorrerá déficit de energia.

Pelas razões acima expostas, observa-se que é de suma importância não só o estudo da sazonalidade, mas também a consideração da complementaridade das fontes que utilizam recursos renováveis. Esta pode se dar ou por outra destas fontes ou por uma fonte convencional.

Nota-se que, através da análise das variáveis mais significativas das fontes solar e eólica, é possível efetuar-se a análise técnica do sistema e, a partir desta, a análise econômica. Com isto, pode-se decidir pelo sistema que melhor atenda as necessidades da carga. Também, pode-se efetuar os cálculos para a variação de outros parâmetros do sistema.

O modelo desenvolvido é uma ferramenta simples, porém referencial e valiosa, para auxiliar no planejamento e projeto de pequenos sistemas eólico-fotovoltáicos utilizados para geração de eletricidade.

 

CONCLUSÕES

Um procedimento para efetuar-se estudos visando a geração descentralizada de energia elétrica, através de pequenos sistemas eólico-fotovoltáicos, foi desenvolvido e implementado por meio de um modelo computacional próprio e original. Este incorpora programas que determinam os parâmetros das fontes, da carga e o esquema operativo da metodologia.

Análises técnicas e de sensibilidade, de diversas grandezas e em intervalos de tempo característicos (estações do ano, período seco e úmido, etc.), podem ser efetuadas num processo totalmente iterativo.

O modelo fornece soluções e resultados muito próximos daqueles que ocorreriam no sistema real, já que trabalha numa base horária e são necessários dados coletados (de preferência, em estudos preliminares) do próprio local.

Através da observação e análise dos resultados da simulação da operação do sistema, é possível a alteração de parâmetros que pode conduzir a um redimensionamento do sistema. Assim, a metodologia permite ao usuário tomar decisões e fazer avaliações rápidas e de modo iterativo.

Pelas características estruturais impostas ao modelo de simulação, das quais resultaram flexibilidade e potencialidades intrínsecas, conclui-se que o desenvolvimento deste modelo vai de encontro às necessidades dos que, de uma forma ou de outra, atuam na área de geração de energia com o uso de pequenos sistemas eólicos-fotovoltáicos.

 

BIBLIOGRAFIA

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