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How to cite this paperAn. 4. Enc. Energ. Meio Rural 2002
Desenvolvimento de um programa computacional para o dimensionamento de sistemas fotovoltáicos de energia
Dionízio Paschoareli Jr.; Rodrigo M. Sanches; Rodrigo R. de Paula; Falcondes J. M. Seixas
Grupo de Pesquisa em Fontes Alternativas e Aproveitamento de Energia - UNESP - Universidade Estadual Paulista - DEE - Departamento de Engenharia Elétrica. Av. Brasil, 364 - Caixa Postal 31 - CEP: 15385-000 - Ilha Solteira - SP. Fone: (18) 3743-1150 Fax: (18) 3743-1163 - http://www.dee.feis.unesp.br
RESUMO
Este trabalho apresenta um programa computacional capaz de dimensionar um módulo fotovoltáico a partir de dados da potência requerida, da característica de insolação e ausência de radiação solar. Este dimensionamento compreende a totalização do número e características dos painéis solares, do controlador de carga e dos elementos acumuladores de energia (baterias chumbo-ácido) que são utilizados.
É apresentada também uma análise econômica, indicando o custo total do módulo a partir de informações dos custos individuais de cada componente. Uma biblioteca contendo vários fabricantes de componentes é apresentada, com a possibilidade de inclusão de outros fabricantes. O programa utiliza a linguagem computacional Visual Basic, com a possibilidade de ser utilizado pela conexão da internet através da execução de um applet. A interatividade com o usuário e a apresentação de figuras ou fotografias dos componentes selecionados (quando disponível), permitem a qualquer usuário (tecnicamente informado ou não) uma rápida e precisa visualização do sistema de geração fotovoltáica requerido.
Palavras-chave: Energia solar; painéis fotovoltáicos; energia alternativa; software
ABSTRACT
This work presents a software which defines a photovoltaic system from data of power demand, solar incidence and absence of solar radiation. The amount and characteristics of the solar panels, the load controller and of the energy storage (lead-acid batteries) are considered.
It is also presented an economical analysis of the total cost of a solar system from information of the individual costs of each component. A library containing several component manufacturers is presented, with the possibility of including new manufacturers. The program uses Visual Basic as the computational language, allowing the use in the internet by the execution of applets. The interactivity with the user and the presentation of illustrations or pictures of the selected components (when available) allow to any user (technically informed or not) a quick view and dimensioning of the photovoltaic generation system required for a given power demand.
INTRODUÇÃO
A utilização da energia solar é uma alternativa às formas convencionais de geração de energia que está crescendo com o passar dos anos devido a redução dos custos e vantagens ambientais.
A escassez de fontes primárias (não renováveis) de energia e o prejuízo ambiental resultante da construção de grandes usinas geradoras (como as hidrelétricas e termelétricas) motivam a busca de fontes alternativas de energia. Tais fontes devem ser capaz de suprir a demanda necessária preservando o meio ambiente, motivo de grande preocupação. Por esta razão, denominam-se tais tipos de energia como "energia verde" (do inglês green energy) ou energia limpa.
Um dos tipos de energia alternativa é a energia solar fotovoltáica. A energia solar consiste na conversão da radiação solar em energia elétrica utilizando-se painéis fotovoltáicos constituídos de material semicondutor que, quando expostos à radiação solar, geram um diferença de potencial em seus terminais. Esta diferença, quando ligada a uma carga, faz surgir uma corrente elétrica. Sua difusão, de uma maneira geral, não é muito significativa. Porém, existem casos isolados de utilização em grande escala para a geração independente de energia ou também para a co-geração.
A utilização da energia solar no Brasil é justificada pelo grande potencial energético (radiação solar) ao qual é submetido. Entretanto, o sistema solar fotovoltáico ainda é caro e tem baixa eficiência.
O uso da energia solar torna-se viável em locais isolados, distantes das linhas de transmissão, cujos custos da ligação do consumidor ao sistema elétrico torna-se elevado.
Um módulo fotovoltáico compreende basicamente três componentes para a conversão da radiação solar em energia elétrica [1-5]:
- painel fotovoltáico propriamente dito;
- controlador de carga da bateria (que servirá como armazenador de energia para o sistema);
- conversor estático (que fará o condicionamento da energia gerada para ser fornecida para a carga ou para o armazenamento).
Cada um dos componentes pode ser utilizado unitariamente ou em combinações que permitam a adequação das grandezas elétricas geradas (tensão, corrente e potência nominais) às características de consumo (carga).
A grande variedade de componentes dos módulos fotovoltáicos pode causar certa dificuldade no momento do planejamento e dimensionamento dos geradores solares.
Os sistemas de energia solar têm sido utilizados para os mais variados fins. Podem-se citar alguns deles:
- Eletrificação de cercas;
- Iluminação pública;
- Alimentação de telefones públicos em locais remotos;
- Alimentação de sistemas de sinalização e outros.
O baixo rendimento dos painéis fotovoltáicos, o elevado custo e a dificuldade de escolha dos componentes que constituirão o sistema fotovoltáico, tais como painéis fotovoltáicos, controladores e acumuladores de carga dificultam o dimensionamento de um sistema fotovoltáico. Além disso, existe uma grande quantidade de modelos no mercado. Outra dificuldade de dimensionamento do sistema diz respeito a quantidade de cada componente a ser utilizado e como ser utilizado.
O programa computacional desenvolvido faz tal dimensionamento através de valores de potência requerida, insolação e da ausência de radiação solar. Para o dimensionamento, o usuário deve selecionar inicialmente um modelo de módulo fotovoltáico que pode ter sido inserido ou que já consta na biblioteca do programa. O procedimento seguinte é escolher um modelo de controlador de carga e de acumulador de carga, inseridos ou presentes na biblioteca do programa. São então apresentadas características dos componentes utilizados assim como quantidade, tipo de associação, custo unitário e custo total do sistema.
PROGRAMA
Desenvolvido em linguagem computacional Visual Basic, o programa para o dimensionamento de sistemas fotovoltáicos tem como objetivo auxiliar na determinação dos componentes fundamentais para o funcionamento de um sistema de geração de energia solar.
A tela inicial do programa é apresentada na Fig. 1.
O programa pode ser dividido em três partes fundamentais distintas, sendo elas analisadas separadamente.
Parte 1 - Inserção dos dados e escolha dos modelos
Na Fig. 2, pode-se observar que existem três campos para preenchimento: potência requerida, insolação local e período sem radiação solar.
Potência requerida: neste campo, o usuário deve inserir o valor de potência que deve ser alimentada pelo sistema, em Watts.
Insolação local: o usuário deve ter em mãos o valor da insolação média, em horas, do local onde o sistema será instalado.
Período sem sol: período de ausência de radiação solar suficiente para funcionamento correto dos painéis fotovoltáicos no qual os acumuladores de carga devem fornecer energia. Período dado em dias.
Na Fig. 2 observa-se também três campos que servirão para a escolha dos modelos de componentes (painel fotovoltáico, controlador de carga e acumulador de carga). Estes modelos podem ser os modelos existentes na própria biblioteca do programa ou inseridos pelo usuário. (Procedimento discutido posteriormente).
Quando um modelo é selecionado, se este possuir figura para ilustração, esta é exibida na tela mostrada na Fig. 3.
Inseridos os dados e selecionados os modelos, o sistema é dimensionado clicando-se no botão "Dimensionar", mostrado na Fig. 1. Dá-se início à parte seguinte do programa.
Parte 2 - Apresentação dos resultados
O sistema dimensionado é apresentado conforme mostrado na Fig. 4.
Na Fig. 4 pode-se observar que são mostradas as características construtivas de cada componente (tensão nominal, corrente nominal, por exemplo), bem como a quantidade, tipo de associação e preço unitário dos componentes. É também apresentado o custo total do sistema caso todos os componentes possuam preço.
A terceira parte do programa não é conseqüência das demais, podendo ser considerada à parte.
Parte 3 - Inclusão e edição de modelos
O usuário pode possuir modelos de componentes que não se encontram na biblioteca do programa. É possível que ele adicione tais modelos para que o sistema seja dimensionado com estes modelos, caso sejam selecionados.
Para que o usuário possa incluir modelos de componentes diferentes, deve clicar no botão relativo ao tipo de componente a ser inserido ("Painéis", "Controladores" e "Acumuladores") mostrado na Fig. 1. É então apresentada uma nova tela, mostrada na Fig. 5.
No caso, a tela mostrada na Fig. 5 refere-se à tela para inclusão de modelo de módulo fotovoltáico. As outras telas para inclusão de novos modelos de controladores e acumuladores são similares.
As informações para o preenchimento dos campos são mostradas na tela de ajuda, mostrada ao clicar-se no botão "Ajuda".
Caso o usuário possua um valor para atualização dos dados de modelos da biblioteca do programa, pode-se fazer a alteração dos valores através do processo de edição.
No processo de edição, o usuário pode alterar dados de um modelo de painel solar, por exemplo, atualizar o preço de um modelo.
Para isso, deve clicar no botão "Editar" da Fig. 5, fazendo com que a tela da Fig. 6 seja mostrada.
Na edição de dados, o usuário deve primeiramente selecionar um modelo da biblioteca e alterar o que for necessário.
DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA
O dimensionamento do sistema só é executado após terem sido inseridos os valores necessários para o cálculo e escolhidos o painel fotovoltáico, o controlador de carga e o acumulador de carga.
Basicamente, o dimensionamento do sistema foi feito através dos seguintes passos:
1º passo: Cálculo da corrente utilizada pela carga (Icarga)
Considerando que o sistema opera com tensão nominal igual a 12 V, a corrente utilizada pela carga é a razão entre a potência requerida (Prequerida) e a tensão nominal de operação do sistema (V), dada pela equação (1).
2º passo: Cálculo da energia diária necessária (Ediária)
Supondo que o sistema opere 12 horas diárias, a energia diária necessária para acionar a carga será dada pelo produto entre a corrente utilizada pela carga (Icarga) e o número de horas de operação do sistema (n), conforme a equação (2).
3º passo: Fator de segurança (Eextra)
O valor de energia diária calculado pela equação (2) não possui uma margem de segurança. Inclui-se então um fator de segurança e recarga ao mesmo para que seja garantida a recarga do acumulador após dias nublados. Este fator assegura uma energia extra ao sistema, calculada pelo produto entre a energia diária (Ediária) e o fator de segurança (fs), conforme a equação (3).
Na equação (3), utilizou-se um fator de segurança igual a 10%.
4º passo: Cálculo da corrente fornecida pelo painel fotovoltáico (Ipainel)
Com o valor de insolação local inserido pelo usuário, calcula-se o valor da corrente que deve ser fornecida pelo painel solar como a razão entre a energia extra (Eextra) e o valor de insolação (ins) através da equação (4).
5º passo: Quantidade de painéis fotovoltáicos (npainel)
Com o resultado obtido na equação (4) e com o valor de corrente nominal do painel (Inpainel) escolhido pelo usuário, calcula-se a quantidade de módulos.
6º passo: Cálculo da corrente suportada pelo controlador de carga (Icontrol)
Utilizando-se o valor da corrente de curto circuito do painel fotovoltáico escolhido (Iccpainel) e com o valor da corrente utilizada pela carga (Icarga), através da soma das mesmas calcula-se a corrente suportada pelo controlador de carga (equação (5)).
Os modelos de controladores de carga apresentados são somente aqueles que têm máxima corrente de módulo igual ou superior à corrente calculada pela equação (5).
7º passo: Cálculo dos acumuladores de carga
Assumindo-se que os acumuladores têm máxima profundidade de descarga igual a 50% e com o valor de ausência de radiação solar (período sem sol) inserido pelo usuário, calculou-se a carga do acumulador necessária para tal sistema pela razão entre o produto da energia extra (Eextra) multiplicada pelo valor de ausência de radiação (rad) e o valor de máxima profundidade de descarga do acumulador (max). Tal cálculo é feito com a utilização da equação (6).
Para os acumuladores e controladores de carga são também calculadas as quantidades de cada componente utilizado.
O sistema será determinado se forem inseridos valores válidos para os cáculos. São eles:
- Valores numéricos;
- Valores não nulos e
- Valores positivos, se decimais, separados por vírgula
INTERNET
A utilização deste programa na internet pode ser feita de algumas maneiras. Uma maneira é a criação de um applet. Este applet pode ser desenvolvido na linguagem computacional Java (mais convencional) é então colocado em uma página da internet, hospedada num servidor. O usuário acessa a página e executa o applet não necessitando que o programa seja instalado em seu computador.
Uma outra maneira é adotar o mesmo procedimento acima, porém utilizando uma outra linguagem para internet (ASP, HTML e outras). Desta maneira o usuário também não precisa instalar o programa em seu computador.
Uma terceira maneira é adicionar em uma página da internet um link para que o usuário faça o download do programa juntamente com os arquivos de instalação necessários para o correto funcionamento do mesmo. Neste caso, é necessário que o usuário instale o programa em seu computador.
CONCLUSÕES
O programa para o dimensionamento de sistemas fotovoltáicos apresentado constitui-se em uma ferramenta computacional importante para que o usuário possa obter uma análise prévia de custos e dimensão do sistema a ser utilizado, mesmo sem conhecimento prévio em sistemas de energia elétrico.
O desenvolvimento de applets para a utilização via internet facilita o acesso ao programa, permitindo inclusive sua utilização para fins didáticos.
A maneira simples e rápida de manipulação dos dados dos modelos existentes, além da fácil inserção de novos modelos, torna o programa bastante dinâmico.
Além do mais, este trabalho tem permitido a alunos do curso de graduação em engenharia elétrica o contato com esta nova realidade da geração de energia elétrica, que é a utilização de sistemas alternativos, principalmente os sistemas solares fotovoltáicos.
REFERÊNCIAS
[1] Siemens Ltda; Guia geral para módulos solares fotovoltáicos Siemens; São Paulo; outubro; 2000.
[2] http://www.cresesb.cepel.br
[4] http://www.heliodinamica.com.br