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Como citar este trabajoAn. 3. Enc. Energ. Meio Rural 2003
Potencial fotovoltaico no uso rural para o estado de São Paulo
João Carlos CamargoI; Ennio Peres da SilvaII; Fernando Rezende ApolinárioIII
IDepartamento de Energia, Faculdade de Engenharia Mecânica, UNICAMP, CEP 13083-970 Campinas, SP tel: 19 289 1860
IILaboratório de Hidrogênio, Instituto de Física, UNICAMP, CEP 13083-970 Campinas, SP tel: 19 289 1860
IIILaboratório de Hidrogênio, Instituto de Física, UNICAMP, CEP 13083-970 Campinas, SP tel: 19 289 1860
N° 34
RESUMO
Os sistemas fotovoltaicos encontram seu maior emprego em instalações isoladas da rede, como residências, bombeamento d' água, etc. O meio rural, torna-se, dessa forma um nicho natural para a utilização de sistemas fotovoltaicos para geração de eletricidade. O objetivo desse estudo é mostrar a alternativa fotovoltaica para geração de energia elétrica, considerando os níveis de insolação para o Estado de São Paulo. O estudo teve por base uma instalação fotovoltaica autônoma com baterias realizada pelo Departamento de Energia da Faculdade de Engenharia Mecânica da Unicamp, para estudar as condições de fornecimento de energia elétrica para pequenas cargas que simulam o consumo de uma residência. Partindo dos dados de insolação disponibilizados pelo Centro de Ensino e Pesquisa em Agricultura – Cepagri/Unicamp para a cidade de Campinas, foi dimensionado o sistema fotovoltaico e analisado os dados coletados no período de um ano.
Palavras-chave: Sistema fotovoltaico autônomo, consumo residencial, desempenho.
ABSTRACT
Most use of PV is the off grid connected systems like homes (solar home systems), water pump, etc. The countryside becomes, in turn, a natural niche to use of PV systems to generate electricity. The purpose of this paper is to show the PV alternative to electric energy generation, regarding the insolation levels to Estado de São Paulo. The study was done with a PV system with batteries and loads that simulate the home' s energy consumption. To size the PV system was used the insolation data to city of Campinas from the Centro de Ensino e Pesquisa em Agricultura – Cepagri/UNICAMP and the collected data were analysed for one year.
INTRODUÇÃO
A demanda por energia no mundo é crescente. As fontes não renováveis como o petróleo e o carvão esgotam-se e sua queima acelera os efeitos danosos do aquecimento global. Isto posto, novas formas de gerar energia elétrica sem esses inconvenientes estão sendo paulatinamente introduzidas. Entre elas destaca-se a fotoeletricidade. A energia solar fotovoltaica transforma a energia solar em eletricidade. Logo países tropicais como o Brasil com regiões de ótima insolação são candidatos potenciais à utilização desse tipo de energia. Sendo uma energia renovável e não poluente quando de sua utilização, ela escapa das restrições ambientais que começam a ser impostas às fontes não renováveis como o petróleo, carvão e nuclear.
Apesar disso, a energia solar fotovoltaica possui uma participação tímida no cenário energético mundial e no Brasil. Em grande parte ainda devido a seu alto custo de investimento inicial principalmente os painéis fotovoltaicos. No entanto, a energia solar fotovotaica já possui nichos de utilização onde ela é muitas vezes a melhor forma de gerar eletricidade. Instalações remotas onde os custos de extensão de rede elétrica são altos e/ou o número de consumidores é pequeno ou a demanda de eletricidade desses consumidores é baixa.
No meio rural é onde encontramos as melhores possibilidades de utilização da energia solar fotovoltaica. Pequenas residências, bombeamento de água, cercas elétricas, são situações onde os módulos fotovoltaicos já são utilizados. Apesar de ser o estado mais rico da federação, São Paulo possui muitas propriedades rurais sem energia elétrica.Com uma população rural estimada em torno de 5% do total do estado, possui cerca de 400.000 propriedades rurais em 645 municípios, metade sem luz elétrica [1]. A extensão da rede elétrica tem sido a alternativa utilizada para o atendimento dessas propriedades.
Este trabalho foi realizado baseado em uma instalação fotovoltaica autônoma localizada na Faculdade de Engenharia Mecânica da UNICAMP. O experimento está sendo monitorado com intuito de verificar as reais condições de funcionamento um sistema fotovoltaico na Região das Bacias dos Rios Piracicaba e Capivari no Estado de São Paulo.
LOCALIZAÇÃO
Campinas está localizada na RBPC na latitude 22° 53' 20" S e longitude 47° 04' 40" com área de 887 km2 e altitude média de 680m.
A Região das Bacias dos Rios Piracicaba e Capivari (RBPC) é composta por 56 municípios sendo 52 no Estado de São Paulo e 4 em Minas Gerais. A região está na melhor faixa de insolação do Estado de São Paulo correspondendo a uma radiação anual de 1830 kWh/m2 e um potencial bruto de 6,59 GJ/m2.ano [2].
SISTEMA FOTOVOLTAICO
Um pequeno sistema fotovoltaico composto por 4 módulos de 48 Wp cada foi montado com o intuito de simular as condições de funcionamento de uma pequena residência alimentada por um sistema fotovoltaico. Os dados da energia total produzida pelo sistema durante o dia foram coletados no período de Julho/99 a Maio/00. Esse dados foram então comparados com os dados disponibilizados para a RBPC.
As cargas são compostas por 2 lâmpadas fluorescentes compactas de 15 W que simulam o consumo de energia em iluminação e de um televisor e um ventilador de 19 W que simula o consumo de um refrigerador. A curva de carga diária deste consumo está representada na Figura 1.
O consumo diário destas cargas perfaz 510 Wh. O sistema foi dimensionado utilizando os dados de radiação disponibilizados pelo Centro de Pesquisas Agropecuárias (Cepagri) da Universidade Estadual de Campinas para o ano de 1997 e 1998. A Tabela 1 mostra os valores da radiação total (direta mais difusa) média diária recebida no local.
O valor de radiação – 3,42 horas pico - correspondente ao mês Junho, o mês de menor incidência, foi utilizado para o dimensionamento do sistema. Dessa forma o sistema garante o atendimento das cargas no período do ano de menor produção de energia (inverno) e contará com um superávit nos meses de verão.
Um sistema fotovoltaico deve ser dimensionado também para atender as cargas por um determinado período no qual as condições de insolação local forem insuficientes, ou seja, dias nublados. As baterias devem ser dimensionadas levando em conta este fator. Geralmente toma-se um período de 5 a 10 dias consecutivos nublados nos quais as baterias devem fornecer a energia requisitada pelas cargas [3]. O valor adotado nesse caso foi de 5 dias. Assim foram utilizadas 3 baterias chumbo-ácidas seladas de 12V/100Ah cada perfazendo um banco de baterias de 3,6 kWh com descarga máxima de 70% e rendimento de carga de 80%. O sistema possui também um controlador de carga, para evitar o excesso de carga ou descarga das baterias e um inversor de freqüência para transformar a tensão CC em CA (Figura 2).
RESULTADO OBTIDOS
Os dados aqui analisados correspondem ao período de Julho/99 a Maio/00 (11 meses). Dois gráficos desse período foram escolhidos para ilustrar o comportamento do sistema fotovoltaico.
Na Figura 3 é mostrado o gráfico da produção de energia do sistema e o consumo diário para o mês de Julho de 99. A produção de energia excede o consumo aproximadamente 30%. Pode-se notar também que em apenas 1 dia a produção de energia foi inferior ao consumo.
Já na Figura 4 o gráfico da produção e consumo de energia para o mês de Dezembro de 99, mostra vários dias de déficit de produção de energia. Isso deve-se ao início da estação chuvosa da RBPC que acontece no verão. A Figura 5 ilustra esse fato, onde vê-se maior incidência de dias chuvosos no período referido.
Os quatro módulos fotovoltaicos de 48 Wp cada, produziram, nestes 11 meses, o total de 229,1 kWh, ou 57,27 kWh por módulo e média diária de 173,5 Wh (Figura 6). A energia produzida total por metro quadrado foi de 146,8 kWh. Tomando a média mensal desses 11 meses de 20,9 kWh (Tabela 2), a produção anual ficaria em 250,8 kWhm-2, significando 2500 kWhm-2 de insolação com a eficiência média de conversão fotovoltaica de 10%. O valor de 2500 kWhm-2 é superior àquele previsto pela CESP para a região da RBPC de 1.830 kWhm-2 [2].
O rendimento de conversão do módulo fotovoltaico foi calculado segundo a fórmula (1)
O valor hora pico na Tabela 2, corresponde ao tempo médio diário no qual o módulo fotovoltaico produziu energia com sua potência máxima.
CONCLUSÕES
O rendimento da conversão fotovoltaica do sistema ficou em 85% do valor nominal dos módulos fornecido pelo fabricante. A média diária de produção do módulo fotovoltaico M75 de 48 Wp no período foi de 173 Wh. O valor médio de horas de pico da insolação recebida neste período foi de 4,5. Assim a potência média de pico obtida do painel foi de 38,5 Wp ou 80% de sua potência máxima
Para a escolha do valor da radiação para o dimensionamento de um sistema fotovoltaico localizado no hemisfério sul do planeta é utilizado os dados de radiação dos meses de inverno nesta parte do globo. Isso é o que foi feito, utilizando os dados de radiação para o mês de Junho, o mês de menor insolação. No entanto, especificamente para a RBPC, verificou-se que apesar da incidência de radiação ser maior nos meses de verão – Janeiro, Fevereiro e Março – a produção de energia pelo sistema fotovoltaico foi menor, devido ao período de chuvas na RBPC.
O número de cinco dias nublados é um valor mínimo típico da literatura de dimensionamento de sistemas fotovoltaicos para prever a quantidade de acumuladores que será necessário para o sistema suprir a carga no caso de ausência de radiação solar. Na RBPC, no entanto, este valor foi além do necessário, pois não houve um período consecutivo nublado superior a 3 dias. Assim o valor de 5 dias pode ser revisto significando menor custo do sistema, diminuindo a quantidade de baterias necessárias.
De uma maneira geral a RBPC possui muito boas condições para utilização da energia solar fotovoltaica, principalmente pela quantidade de radiação solar que atinge a região, pelo menos é o que foi verificado no período de realização do experimento. A incidência de radiação menor no inverno devido à inclinação do planeta em relação ao Sol é compensada pelo número muito baixo de dias com chuva e consequentemente nublados (Figura 5). O número de dias nublados consecutivos também constatado foi baixo, permitindo que o sistema fotovoltaico necessite de um sistema de armazenamento menor.
AGRADECIMENTOS
À CAPES pelo apoio financeiro e FINEP pelo apoio para compra de equipamentos e ao Laboratório de Hidrogênio da UNICAMP pelo apoio no desenvolvimento do trabalho.
REFERÊNCIAS
[1] PELEGRINI, M. A., UDAETA M. E. M., RIBEIRO F. S., GALVÃO, L. C. R. Recursos energéticos renováveis não-tradicionais na eletrificação rural do Estado de São Paulo. Congresso Brasileiro de Planejamento Energético, III, São Paulo: Anais...
[2] CESP Balanço Energético do Estado de São Paulo - 1982 e 1983. Conselho Estadual de Energia/CESP, São Paulo, SP, 1985.
[3] ROBERTS, S. Solar Electricity. Londres: Prentice Hall, 1991. 434 p.
