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Como citar este trabajoAn. 3. Enc. Energ. Meio Rural 2003
Sistemas de fornecimento de energia elétrica híbrido solar hidráulico
Doriana Marinho Novaes OliveiraI; Selênio Rocha SilvaI; Aymoré de Castro Alvim FilhoI; Carlos Barreira MartinezII
ICentro de Pesquisa e Desenvolvimento em Engenharia Elétrica, CPDEE, PPGEE, UFMG, 30110-060, B.H, MG tel: (031) 499-4925
IIDepartamento de Engenharia Hidráulica e Recursos Hídricos, EHR/CPH, UFMG, 30110-060, Belo Horizonte, MG tel: (031) 499-4925
RESUMO
Este trabalho, apresenta um estudo comparativo entre as alternativas de utilização direta da energia solar através de painéis fotovoltáicos, acoplado a um inversor de freqüência com um sistema de armazenamento que pode ser através de baterias ou de armazenamento de energia através de um sistema híbrido solar hidráulico reversível, acoplado a um retificador e a um inversor de freqüência. O sistema em questão apresenta duas configurações básicas. A primeira é constituída por painéis solares interligados a um sistema de baterias fornecendo energia elétrica trifásica através de um inversor. A segunda alternativa é constituída de painéis solares interligados a um pequeno sistema de baterias e a um reservatório de água que tem a finalidade de operar como sistema reversível durante a noite ou períodos de ponta de carga. Assim é apresentada uma metodologia para o dimensionamento e análise econômica, comparando esta alternativa híbrida com a utilização de baterias e inversor. A metodologia apresentada permite a seleção do Sistema de Conversão de Energia (SCE) economicamente mais vantajoso face às disponibilidades existentes no local. Ao final é apresentado um estudo de caso onde se verifica a viabilidade do uso do sistema híbrido solar/hidráulico para uma localidade isolada.
Palavras-chave: Energia Solar, Energia Alternativa, Planejamento Energético.
ABSTRACT
This work presents a comparative study among the direct solar energy utilization options ,through solar panels, coupled to the frequency inverter. These system store energy through batteries or through a reversible and hybrid solar/hydraulic system, coupled to a rectifier and a frequency inverter. There are two basic configurations for the systems being the first one composed of solar panels linked to a battery system , delivering electric energy through a three phase inverter. The second one is composed of solar panels connected to a small battery system and to a water reservoir that has the goal of operating as a reversible system during at night, or during load peak periods. In this ,it is presented a methodology for the designing and economic analysis, comparing this hybrid alternative, to the inverter plus batteries options. This methodology to the correct Energy Conversion System (ECS),which is economically advantageous due to the availability of the region. At the end, it is presented a "case study" where viability of use , for the hybrid solar/hydraulic system in an isolated area, is verified.
Keywords: Solar Energy, Alternative Energy, Energetic Planing.
INTRODUÇÃO
A pesquisa de fontes alternativas de energia é uma atividade que tem por objetivo suprir as futuras demandas a nível mundial. Este tipo de pesquisa tem sido impulsionado devido a: (i) previsão futura de escassez dos combustíveis fósseis, (ii) a saturação do potencial hidroelétrico e (iii) ao fato de que cerca de mais de 50% da população do planeta não ter acesso, ainda à energia elétrica convencional. Pode-se somar ainda a isto o fato das imensas disparidades econômicas e sociais encontradas entre as inúmeras áreas do país.
Dentre as demandas existentes, o fornecimento de energia elétrica, se apresenta de forma nefasta, pois as dificuldades de desenvolvimento decorrentes do desequilíbrio entre a oferta e a demanda de energia elétrica, aliadas à falta de confiabilidade nos respectivos sistemas elétricos têm causado uma crônica fuga de investimentos na área. As regiões com razoável oferta de energia elétrica conseguem atrair investimentos e, principalmente, impulsionar a integração a nível nacional, chamando atenção de alguns setores da economia.
O estudo de fontes alternativas de energia, principalmente para fornecimento de eletricidade, vem melhorar as perspectivas para o futuro, e também contornar muitos problemas atuais, principalmente no que diz respeito à manutenção e melhora da qualidade de vida de comunidades isoladas.
CONSTITUIÇÃO DO SISTEMA
O sistema em estudo apresenta duas configurações básicas. A primeira é constituída de painéis solares interligados a um sistema de baterias fornecendo energia elétrica trifásica através de um inversor de freqüência. A segunda alternativa é constituída de painéis solares interligados a um reservatório de água que tem a finalidade de operar como sistema reversível durante a noite ou períodos de ponta de carga.
O sistema de fornecimento de energia alternativa híbrido solar hidráulico é mostrado na figura 1, em que estão presentes os principais componentes: bomba funcionando como turbina (BFT), arranjo de painéis fotovoltáicos, retificador e inversor.
SISTEMA FOTOVOLTÁICO
Os sistemas de energia solar ou fotovoltáico são capazes de gerar energia elétrica instantânea a partir da simples captação da luz solar através de módulos fotovoltáicos. Esses módulos geram energia elétrica em corrente contínua. Os sistemas fotovoltáicos apresentam uma configuração clássica constituída de painéis solares fornecendo energia elétrica trifásica através de um inversor. As baterias tem a finalidade de operar o sistema durante a noite ou em períodos de ponta de carga.
O sistema proposto possui, além dos elementos clássicos, um conjunto motobomba que pode operar, nos períodos de baixa demanda, elevando água para um reservatório superior. Nos períodos de demanda elevada (ou noturno) um segundo sistema motobomba irá operar como uma bomba funcionamdo como turbina (BFT), revertendo energia para o sistema.
A contabilização dos custos dos sistemas propostos é feita de modo a se avaliar a opção de armazenamento de água versus um sistema convencional de baterias. A vantagem de se utilizar o sistema hidráulico está na maior vida útil do mesmo frente ao sistema de baterias, que via de regra tem um tempo de vida útil em torno de 6 anos.
As desvantagens comparativas estão ligadas à complexidade do sistema e a disponibilidade de local para instalação de um reservatório de água de baixo custo. Desta forma sugere-se a utilização de reservatórios localizados em elevações naturais do terreno ou pequenos açudes de forma a reduzir os custos de implantação.
Pode-se visualizar a aplicação deste sistema em comunidades isoladas do estado de Minas Gerais, onde as alternativas de abastecimento de energia elétrica são restritas e onde a demanda não justifique a implantação de um sistema de transmissão convencional.
As avaliações da competitividade entre os sistemas híbrido solar hidráulico frente à sistemas convencionais fotovoltáicos mostram a competitividade dos mesmos em sistemas caracterizados por um baixo consumo de energia e com taxas de retorno reduzidas.
O SISTEMA HIDRÁULICO
A modelagem do sistema hidráulico visa a determinação das perdas de carga no circuito de bombeamento/reversão e tem a finalidade de identificar os pontos de operação dos mesmos. O equacionamento deste sistema leva em consideração as perdas de carga distribuídas e localizadas e procura representar as condições de bombeamento de forma distinta da condição de reversão. Assim a figura 2 mostra o tipo de sistema de bombeamento a ser estudado.
Os cálculos do sistema hidráulico têm a finalidade de determinar as perdas de carga na tubulação. As perdas de carga ocorrem nos tubos retos, nas curvas e nas bifurcações, para este caso pode-se calcular a perda de carga do sistema de bombeamento pela equação (1). Devido ao fato do sistema de adução para operar a bomba funcionando como turbina ser diferente utiliza-se a equação(2) para o cálculo da perda de carga durante a reversão.
Para o cálculo da altura de elevação da bomba (hrec) pode-se utilizar a equação (3). O cálculo da queda disponível para operar a BFT (had) pode ser feito através da equação (4).
sendo:
Qb = vazão de bombeamento (m3 / s);
Qrb = vazão de reversão (m3 / s);
Db = diâmetro da tubulação de recalque (m);
Db = diâmetro da tubulação de reversão (m);
Lsuc= extensão da tubulação de sucção da bomba (m);
Lrec= extensão da tubulação de recalque da bomba (m);
Leq.c= comprimento equivalente das conexões da tubulação de recalque (m);
Lad= extensão da tubulação de adução no recalque da BFT (m);
Lad.eq.c= comprimento equivalente das conexões da tubulação de adução no recalque da BFT (m);
hg = desnível geométrico entre o reservatório de jusante e de montante(m).
ESCOLHA DO GRUPO BOMBA-TURBINA
O grupo bomba funcionando como turbina (BFT) pode ser escolhido através da metodologia proposta por Viana (1987). Nesta levanta-se os coeficientes experimentais de altura e de vazão da BFT –BFB em função da rotação especifica através de resultados experimentais de KITTREDGE (1961), BONADÉ E BUSE (1981), e de ensaios de laboratório.
Assim de acordo com Viana [4] tem-se:
Sendo:
HT = Altura de recalque da bomba em m;
QT = Vazão de recalque da bomba em m3/s;
Hrb = Altura de operação da BFT na reversão em m.
coeficiente experimental
Os valores dos coeficientes experimentais podem ser obtidos a partir do ábaco 1 a seguir.
O rendimento da BFT é evidentemente menor que o rendimento de uma turbina convencional, entretanto uma análise comparativa de custos pode indicar a viabilidade de cada alternativa. Admitindo-se que o custo do grupo gerador seja em torno de 40% dos custos totais para este tipo de instalação tem-se:
Os custos de equipamentos hidro-eletromecânicos convencionais podem ser obtidos também obtidos pela tabela 2 a seguir:
Devido ao fato do sistema com BFT ter um custo menor que o de equipamentos eletro-hidro-mecânicos convencionais optamos por trabalhar apenas com o sistema BFT para fins de comparação com o sistema convencional (baterias). A tabela 4 apresenta os custos totais, anuais e os custos unitários (US$/kWh) para o sistema BFT, com uma taxa anual de juros de 10% , 8% e 6 % e com tempo de retorno de 15 anos. A tabela 5 mostra os custos totais, anuais e unitários do sistema de baterias (descarga profunda), com uma taxa anual de juros de 10%, 8% e 6 % e com tempo de retorno de 06 anos.
Se optou por utilizar um sistema com baterias de descarga profunda devido ao fato deste tipo de equipamento ter uma maior capacidade de descarga (em torno de 80% em comparação com 20 a 30 % das convencionais automotivas de chumbo-ácido). No cálculo do sistema de reversão com BFT estão incluídos os custos dos controladores e das válvulas de comando do sistema hidráulico.
O cálculo dos custos anuais é obtido através da equação (7) a seguir [3]:
sendo:
FRC = Fator de recuperação de capital;
i = taxa anual de juros (%);
n = período de retorno (anos).
ESTUDO DE CASO
O estudo de caso se refere a uma instalação com capacidade de fornecer 14.600 kWh/ano a partir de uma fonte solar. A característica do sistema mostra que o comportamento da demanda de energia pode ser aproximada pela curva apresentada na figura 3 a seguir. Desta forma procura-se a melhor alternativa de armazenamento de energia nas opções hidráulica reversível com BFT ou bateria.
A capacidade de descarga (Capdesc) das baterias é considerada como de 80% [3]. Assim a potência a ser instalada no banco de baterias para fins de armazenamento é calculada de acordo com a equação (9).
A capacidade de armazenamento é dada em função do período de insolação e da demanda do sistema elétrico. Assim a demanda é dada por:
Sendo:
D = demanda em kWh;
Potp = potência requerida no patamar de ponta;
Potb= potência requerida no patamar de base;
tp= tempo em horas de ponta;
tb= tempo em horas de base.
A demanda em período sem insolação é de aproximadamente 20 kWh/dia. Desta forma o banco de baterias terá uma capacidade calculada ( Pot bb ) pela equação a seguir [3]:
A capacidade de carga necessária para o banco de baterias será de 25 kW.
Para o sistema híbrido/hidráulico o cálculo da potência (Potr ) pode ser feito pela equação (10). Considerando-se o rendimento do conjunto BFT (hBFT.) como de 51%, a potência será de 40 kW e a vazão será calculada pela equação (11):
A vazão de projeto será então de 0,085 m3/s, e o volume de acumulação será 300 m3. A vazão para períodos de baixa demanda (2 kW) será de 0,034 m3/s e para o período noturno (0,45 kW) será de 0,0076 m3/s.
Assim utilizando as equações (5) e (6) obtém-se as características da bomba a ser instalada como BFT [4].
A condição de trabalho possui com característica uma vazão (Q) de 0,085m3/s e uma altura de queda de 12metros. Assim calcula-se o nqat e posteriormente a vazão e altura de recalque da bomba que irá funcionar como BTF [4].
Assim temos:
Utilizando-se a equação (4) verifica-se a capacidade de geração do sistema. Assim temos:
A capacidade instalada em painéis (Cinst.P.) será de 45 kWh/dia para o sistema com baterias) e de 60 kWh/dia para o sistema solar híbrido hidráulico. O fato da potência do sistema solar híbrido ser em torno de 33% maior que a com o sistema de baterias se deve ao fato do rendimento do sistema BFT ser considerávelmente menor que o banco de baterias (hBFT=51% e hbat=80%).
Assim a potência em painéis (Pinst) será calculada em função do sol pleno (sp) [3] por (13).
A potencia instalada em painéis para o sistema com baterias é então de 8,5 kWp e para o sistema solar híbrido hidráulico será de 11,5 kWp.
O sistema terá as características mostradas nas figuras 4 e 5 a seguir. Os custos de implantação do sistema solar com baterias e híbrido hidráulico estão mostrados nas tabela 6 e 7.
De modo a explorarmos melhor o tipo de proposta deste trabalho calculamos também o sistema par um tempo de retorno do painel solar e do ssitema híbrido hidráulico para 30 anos. Os resultados são apresentados na tabela 7 a seguir:
COMENTÁRIOS FINAIS
Pela análise do estudo de caso pode-se observar que o sistema híbrido solar-hidráulico não é competitivo para o universo de taxas de juros com tempos de retorno de 15 anos, entretanto para um período de análise maior (30 anos) os custos de energia gerada são interessantes sendo que para taxas de 6% a/a a diferença é de apenas 5,5%. Observa-se também que o maior impacto sobre o custo do sistema se deve a aquisição de painéis solares. Portanto na medida que seus custos dos painéis forem caindo os custos de energia gerada para o sistema híbrido hidráulico devem se tornar mais competitivos. Para o caso estudado deve-se levar em consideração que o rendimento da BFT utilizada foi bastante crítico, o que levou a instalação de híbrida a uma potência instalada em torno de 33% maior que para o caso das baterias. Mesmo assim no caso de taxas de juros em torno de 6% a/a e com 30 anos de retorno o sistema se mostra competitivo com o sistema de baterias. É importante citar que no estudo de caso apresentado o custo do reservatório e de sistemas auxiliares não foi considerado assim como no caso do sistema convencional as instalações para abrigo de baterias também foram desconsideradas. Sugere-se, portanto, a extensão destes estudos incorporando estes custos e utilizando-se um grupo gerador de maior eficiência.
REFERÊNCIAS
[1] ALVIM FILHO, AYMORÉ DE C;SILVA, SELÊNIO R; MARTINEZ, CARLOS B. A utilização de geração hidráulica consorciada com sistemas de energia fotovoltáicos e termelétricos. Anais do XVII Congreso Nacional del Agua & II Simposio de Recursos Hidricos del Cono Sur, Santa Fe-Argentina. 1998.
[2] ALVIM FILHO, AYMORÉ DE C; SILVA, SELÊNIO R; MARTINEZ, CARLOS B. Os sistemas fotovoltáicos face as alternativas de geração de energia elétrica. Anais do III Congresso Brasileiro de Planejamento Energético, São Paulo – SP. 1998.
[3] ALVIM FILHO, AYMORÉ DE C. Avaliação Econômica do Fornecimento de Energia Elétrica a Partir de Fontes de Energia Solar e Eólica Para Sistemas Isolados. Belo Horizonte-MG,1999.
[4] CARVALHO VIANA, AUGUSTO N. Comportamento de Bombas Centrífugas Funcionando Como Turbinas Hidráulicas. Itajubá – MG,1987.
[5] ELETROBRÁS & DNAEE. Manual de Micro Centrais Hidreletricas. 1985
[6] GRUPO DE TRABALHO DE ENERGIA SOLAR FOTOVOLTÁICA. Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltáicos. CRESESB/CEPEL. 1995.
[7] SANTOS, R.S.F.; SALIBA, A.P.M.; MARTINEZ, C.B. Seleção de formas de geração/suprimento de energia elétrica. em sistemas elétricos isolados do Brasil, III Congresso. Latino-Americano: Geração e Transmissão de EE,v.1,p.128-152. 1997.
[8] SANTOS, A H.M.Santos; MARTINEZ, C.B. Tecnologia Apropriada para Micro Centrais Hidráulicas – MCHs. II ENEC Campinas 1990.
[9] STEPANOFF, A.T.; Cenrifugal and Axial Flow Pumps. John Wiley & Sons, Inc., N.Y., 1962.
Endereço para correspondência
Doriana Marinho Novaes Oliveira
doriana@cpdee.ufmg.br
Selênio Rocha Silva
selenios@eee.ufmg.br
Aymoré de Castro Alvim Filho
aymore@cpdee.ufmg.br
Carlos Barreira Martinez
martinez@cce.ufmg.br
