Estudo Comparativo entre Sistema de Produção Clássico e Sistema com Energias Alternativas

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1 Estudo Compaativo ente Sistema de Podução Clássico e Sistema com Enegias Altenativas Dimensionamento Enegético de uma Estação de Telecomunicações Joge Manuel Matins Albano Dissetação paa obtenção de Gau de Meste em Engenhaia Electotécnica e de Computadoes Júi Pesidente: Pofesso Douto Paulo José da Costa Banco Oientado: Pofesso Douto João José Esteves Santana Vogal: Pofesso Douto Rui M. G. Casto Dezembo de 2009

2 Agadecimentos Este tabalho significou um novo egesso à vida académica passados quase 10 anos desde a minha licenciatua. Emboa especializado no amo das telecomunicações, sempe gostei da poblemática em tono da geação de enegia e com esta pós-gaduação quis apoveita a opotunidade e apofunda esse amo. Agadeço assim ao Pofesso João Santana que após lhe te exposto o meu inteesse em faze a dissetação na áea da enegia, disponibilizou-se de imediato como meu oientado, popondo-me um tabalho ainda assim com alguma ligação às telecomunicações. Sempe com boa disposição e disponibilidade, sugeiu-me que fequentasse as aulas de Enegia Renováveis do Pofesso Rui Casto, onde tive a opotunidade de apende muito sobe esta matéia e ao qual muito lhe tenho a agadece pelo excelente pofesso que é. Agadeço também à minha família, em especial à minha namoada, po aceditaem sempe no meu sucesso dando-me coagem paa nunca desisti. Queendo apoxima este tabalho o mais póximo da ealidade possível, queo ainda agadece aos meus colegas de tabalho (Nokia Siemens Netwoks) que me disponibilizaam alguma infomação e ideias do que podeia faze. Não queendo esquece ninguém, agadeço a todos os que colaboaam paa que este tabalho fosse possível. ii

3 Resumo A pesente dissetação desceve e dimensiona a concepção física de um sistema de alimentação eléctico a uma dada aplicação emota que não esteja ligada à ede nacional de enegia, como po exemplo uma instalação de telecomunicações. De foma a enconta qual a melho solução, seão analisadas as soluções clássicas de podução de enegia vesus solução baseada unicamente em enegias enováveis. Descevese assim a podução das váias enegias, clássicas e enováveis, a caacteização da estação emota (SRA4) em temos de consumo e quais as melhoes soluções enegéticas paa a sua alimentação. Com base nos esultados somos levados a estuda em detalhe a podução fotovoltaica, a podução eólica, e as possíveis altenativas de amazenamentos da enegia. Combinando estas possibilidades de podução e amazenamento, e confontando-as também com o fonecimento ligado ao ede nacional eléctica, ou via cental moto diesel, pocua-se enconta assim a melho solução na pespectiva técnica e económica (Ca, VAL, TIR). Adicionalmente, e após encontada a solução ideal, admite-se esta instalada numa habitação a funciona em Micogeação, tentando-se então pecebe em que ano se dá o etono do investimento. A elaboação deste tabalho envolveu uma pofunda pesquisa a divesos fabicantes de foma a identifica os melhoes painéis fotovoltaicos, tubinas eólicas, bateias, e componentes de electónica de potência de acodo com a aquitectua seleccionada (DC Coupled). Palavas-chave: Podução Clássica, Enegias Renováveis, Sistemas Híbidos, Estação de Telecomunicações, Eólica, Fotovoltaica, Bateias Estacionáias, DC Coupled, Micogeação iii

4 Abstact The pesent thesis descibes and develops the physical conception of an electical powe supply fo a given emote application not connected to the national electical supplie, as fo instance a given telecommunication station. In ode to find the best solution fo ou system seveal altenatives will be analyzed as the taditional technology solutions, o solely on enewable enegy. It descibes the poduction of the vaious enegies, classical and enewable, the chaacteization of the emote station in tems of powe consumption, and the best enegetic solutions fo its suppot. Based on the esults we ae lead to study in detailed the photovoltaic, wind geneation, and the possible altenatives fo stoing enegy. Combining these possibilities of poduction and stoage of enegy, also compaing it to the electic netwok solution supplie, o even by means of using a diesel engine station, we look up to find the best solution fom a technical and economical pespective (Ca, VAL, TIR). In addition, and afte found the ideal solution, it is assumed to be installed at a esidence house woking in Micogeneation, and tying to undestand in which yea the etun of the investment will come. The ealization of this wok involved a deeply manufactues eseach to find out the best photovoltaic panels, wind tubines, batteies, and high powe electonic components accoding with the chosen achitectue (DC Coupled). Key-wods: Classic Poduction, Renewable Enegy, Hybid Systems, Telecommunications Station, Wind, Photovoltaics, Stationay Batteies, DC Coupled, Micogeneation iv

5 ÍNDICE Agadecimentos... ii Resumo... iii Abstact... iv Lista de Figuas... vii Lista de Tabelas... viii Lista de Siglas... ix Lista de Símbolos... x 1. Intodução... xiii 1.1 Estutua da Dissetação...xiii 2. Podução de Enegia Eléctica A Podução Eléctica Ciclo Clássico de Podução Cadeia Eólica ou Hidáulica Cadeia Sola Fotovoltaica Podução Clássica de Enegia Centais Temoelécticas Centais Nucleaes Centais a Gás Centais de Ciclo Combinado Centais a Moto Diesel Fontes de Enegia Renováveis Eólica Hidoeléctica Mini-Hídica Oceanos Enegia Geotémica Bio-Enegia Sola Tanspote e Distibuição de Enegia Situação Enegética em Potugal Evolução e Situação Enegética Custo Médio da Enegia Eléctica Micogeação (Deceto-Lei nº363/2007) Caacteização da Estação Remota de Telecomunicações Caacteização do Consumo da Estação Remota Estação Remota de Telecomunicações Localização da Estação Remota Podução de Enegia paa a Estação Remota Solução Baseada na Podução Clássica Solução Baseada em Enegias Renováveis Amazenamento de Enegia Altenativas Possíveis de Podução Potência a se Instalada na Estação Remota Podução de Enegia Fotovoltaica Utilização de Tacke s Selecção de Painéis Fotovoltaicos Utilização Anual da Potência e Estimativa do Númeo de Painéis Modelo Matemático da Célula Fotovoltaica Desenvolvimento do Modelo 1D+3P Aplicação do Modelo 1D+3P a Módulos/Painéis Fotovoltaicos Cálculo Simplificado da Enegia em Módulos/Painéis Fotovoltaicos Estimativa Rápida da Enegia Poduzida em Módulos Fotovoltaicos Estimativa da Radiação Sola Média e Tempeatua Mensal Enegia Mensal e Anual Poduzida e Númeo Exacto de Painéis v

6 Estação Remota Localizada em São Pedo Velho, Miandela Outas Localizações da Estação Remota de Telecomunicações Balanço Mensal Enegético na Estação de São Pedo Velho, Miandela Podução de Enegia Eólica Utilização Anual da Potência Eólica Selecção da Tubina e Estimativa da Enegia Eólica Estimativa Rápida da Enegia Poduzida po um Geado Genéico Enegia Mensal e Anual Poduzida nas Estações Remotas Modelo de Vento Quase-Estacionáio Estimativa do Pefil de Ventos nas Divesas Estações Rugosidade do Solo (Lei de Pandlt) Enegia Eólica Mensal e Anual Poduzida nas Estações Balanço Mensal Enegético na Estação de São Pedo Velho, Miandela Dimensionamento do Sistema Sistemas de Amazenamento de Enegia Enegia Potencial da Água Pilhas de Combustível Banco de Bateias Selecção das Bateias a Utiliza Aquitectua do Sistema e Electónica de Potência Aquitectua AC-Coupled Aquitectua DC-Coupled Selecção da Aquitectua Deteminação das Pedas no Sistema Dimensionamento das Bateias Dimensionamento do Sistema Híbido Enegia Mensal Requeida pelo Sistema Enegia Mensal e Anual Poduzida nas Estações Balanço Mensal Enegético na Estação São Pedo Velho, Miandela Avaliação Económica do Pojecto Intodução Económica Modelo Simplificado do Custo Unitáio Médio Actualizado Indicadoes de Avaliação de Investimentos (VAL, TIR) Investimento Inicial Actualizado com Amazenamento Sistema Baseado em Enegias Renováveis Implementação do Pojecto em São Pedo Velho, Miandela Solução Híbida em Substituição dos Repetidoes Passivos Repetido Activo sem Potecção Instalado em São Pedo Velho Sistema Baseado na Solução Clássica Avaliação da Solução Ligação à Rede Pública Eléctica Avaliação da Utilização de um Geado Diesel Utilização da Linha Eléctica com Redução do Banco de Bateias Utilização do Sistema Híbido Dimensionado em Micogeação Conclusões Pespectivas de Tabalho Futuo Refeências e Anexos Refeências Bibliogáficas Anexos Pevisão da Podução Fotovoltaica, Eólica, Híbida, e Avaliação Económica vi

7 Lista de Figuas Figua 2.1 Ciclo Clássico de Podução Eléctica...2 Figua 2.2 Cadeia Eólica ou Hidáulica de Podução de Electicidade...2 Figua 2.3 Cadeia Sola Fotovoltaica de Podução Eléctica...3 Figua 2.4 Cental de Ciclo Combinado (Gás & Vapo)...5 Figua 2.5 Evolução Enegética em Potugal po Sectoes de Podução...12 Figua 3.1 Rede Típica de Telecomunicações Móveis em Micoondas...17 Figua 3.2 Componentes da Estação Remota de Telecomunicações (SRA4)...18 Figua 3.3 Repetido Activo de Telecomunicações com Links STM-1 (SRA4 1+1)...19 Figua 3.4 Mapa das Localizações das Estações Remotas de Telecomunicações...22 Figua 3.5 Enegia Consumida Mensalmente na Estação com 30% de Pedas no Sistema...25 Figua 4.1 Índice kwh/wp ( ha expessa em kh) em Sistemas Fotovoltaicos...28 Figua 4.2 Cicuito Eléctico Equivalente de uma Célula Fotovoltaica com Caga Z...30 Figua 4.3 Cuva I-V de Duas Células Fotovoltaicas Difeentes...31 Figua 4.4 Cuva I-V e P-V de Uma Célula Típica de Silício Cistalino, condições STC...32 Figua 4.5 Vaiação da Cuva I-V com a Tempeatua...33 Figua 4.6 Vaiação da Cuva I-V com a Radiação...34 Figua 4.7 Esquema de um Geado Fotovoltaico Ligado à Rede...37 Figua 4.8 Enegia Média Mensal Poduzida po 20 Painéis Fotovoltaicos PV 155-M...40 Figua 4.9 Enegia Fotovoltaica Necessáia/Disponibilizada em Miandela 30% Pedas...42 Figua 5.1 Utilização Anual Equiv. da Potência Instalada paa um Geado de 2MW...43 Figua 5.2 Compaação das Cuvas de Potência Ente o Modelo e um Fabicante...46 Figua 5.3 Cuva de Potência da Tubina Whispe Figua 5.4 Pefil de Vento Global em Outeio dos Fiéis (IN_27)...50 Figua 5.5 Paâmetos Mensais de Weibull em Outeio dos Fiéis (IN_27)...51 Figua 5.6 Pefil de Ventos no mês de Janeio em São Pedo Velho (Miandela)...51 Figua 5.7 Caacteística de Potência da Tubina Whispe Figua 5.8 Enegia Média Mensal Poduzida po 3 Tubinas Whispe 100, em Miandela...53 Figua 5.9 Enegia Eólica Necessáia e Disponibilizada em Miandela com 30% de Pedas..55 Figua 6.1 Repesentação Esquemática de uma Pilha de Combustível (FC)...57 Figua 6.2 Esquema Simplificado de uma Célula de Bateia...60 Figua 6.3 Tempo de Vida Útil das Bateias com a Pofundidade de Descaga...61 Figua 6.4 Sistema Híbido Off-Gid com Aquitectua AC-Coupled...65 Figua 6.5 Sistema Híbido Off-Gid com Aquitectua DC-Coupled...66 Figua 6.6 Aquitectua DC-Coupled Híbida da Estação Remota de Telecomunicações...67 Figua 6.7 CARGA, Pedas Conv. e Amazenamento no Sistema Híbido (DC Coupled)...71 Figua 6.8 Balanço Mensal Enegético em São Pedo Velho no Sistema Híbido...73 Figua 6.9 Balanço Enegético em S. Pedo Velho com Pod. Mensal acima dos 20%...74 Figua 7.1 Vaiação do VAL com a Taxa de Actualização, Definição do TIR...78 Figua 7.2 Distibuição de Custos da Solução Híbida em São Pedo Velho...83 Figua 7.3 Distibuição Enegética Anual da Solução Híbida em São Pedo Velho...83 Figua 7.4 Balanço Enegético da Solução Híbida em São Pedo Velho (Ca=250 /MWh)...84 vii

8 Lista de Tabelas Tabela 2.1 Potência Instalada em Potugal po Sectoes de Fontes de Enegia [REN 2008].12 Tabela 2.2 Peço de aquisição Médio da PRE po Tecnologia [ERSE, 2008]...14 Tabela 2.3 Pecentagem da TUR e Limites de Aplicação Consoante a Tecnologia [Jan09]...15 Tabela 3.1 Caacteísticas Ambientais das Unidades IDU e ODU do Sistema SRA Tabela 3.2 Consumo Enegético das Unidades IDU e ODU do Sistema SRA Tabela 3.3 Consumo Enegético da Estação Remota de Telecomunicações...20 Tabela 3.4 Localização das Estações Remotas de Telecomunicações Note Oeste...21 Tabela 3.5 Altenativas Possíveis de Podução de Enegia paa a Estação Remota...24 Tabela 4.1 Caacteísticas Técnicas dos Painéis Fotovoltaicos SolaWold e Renewis...27 Tabela 4.2 Estimativa da Radiação e Tempeatua Média Mensais nas 4 Localizações...38 Tabela 4.3 Estimativa Rápida do Modelo (Eo 20%) em São Pedo Velho, Miandela...39 Tabela 4.4 Cálculo Simplificado do Modelo (Eo 2%) em São Pedo Velho, Miandela...39 Tabela 4.5 Deteminação Exacta do Númeo Painéis em São Pedo Velho, Miandela...40 Tabela 4.6 Enegia Mensal e Anual nas Divesas Localizações da Estação Remota...41 Tabela 5.1 Caacteísticas Técnicas Pincipais das Quato Tubinas Windpowe...44 Tabela 5.2 Enegia Média Mensal Poduzida nas Divesas Estações (Whispe 100)...54 Tabela 6.1 Caacteísticas de divesos Tipos de Pilhas de Combustível (FC)...58 Tabela 6.2 Aplicações Divesas das Pilhas de Combustível (FC)...58 Tabela 6.3 Caacteísticas Pincipais da Gama de Bateias Sonnenschein...64 Tabela 6.4 Caacteísticas Técnicas Pincipais do OutbackFlexmax 60 ChageContolle...67 Tabela 6.5 Pedas de Convesão e Amazenamento na Aquitectua DC Coupled...68 Tabela 6.6 Enegia Média Mensal Poduzida e Balanço Enegético nas Divesas Estações..72 Tabela 6.7 Enegia Média Mensal & Balanço Enegético acima dos 20% em Miandela...74 Tabela 7.1 Altenativas Possíveis de Investimento em Enegias Renováveis...81 Tabela 7.2 Estutua e Distibuição de Custos da Solução Híbida em São Pedo Velho...82 Tabela 7.3 Custos da Solução Híbida em Esposade e Vilainho das Funas...85 Tabela 7.4 Custo Estimado do Sistema Activo (SRA4 1+1) Incluindo a Toe Metálica...85 Tabela 7.5 Compaação de Investimentos ente Repetidoes Passivos e Activos...86 Tabela 7.6 Consumo Enegético do Repetido Activo sem Potecção (1+0)...86 Tabela 7.7 Estutua e Distibuição de Custos do Repetido Activo sem Potecção...87 Tabela 7.8 Taifa Simples 1,15 kva de Potência Contatada Taifáio Tabela 7.9 Geadoes a Gasolina e a Diesel do Fonecedo GenPoweUsa...90 Tabela 7.10 VAL e TIR do Sistema Híbido em Micogeação...94 viii

9 Lista de Siglas AC AFC BA DC DOD DWDM EDP EOLOS FC GSM HF HRSG IDU IF INETI JAVA MCFC MIBEL MPPT NOCT NSN O&M ODU PAFC PDH PEFC/PEM PRE PRE-R PRO REN SHD SOFC SRA4 STC STM-1 TIR/IRR TUR UMTS VAL/NPV VRLA XML Coente Altena Alkaline Fuel Cell Balanço Actualizado Coente Contínua Depth of Dischage Dense Wavelength Division Multiplexing Enegias de Potugal Base de Dados do Potencial Enegético do Vento em Potugal Fuel Cell Sistema Global paa Comunicações Móveis Alta Fequência Heat Recovey Steam Geneato In-Doo Unit Fequência Intemédia Instituto Nacional de Engenhaia, Tecnologia e Inovação Linguagem de Pogamação Oientada a Objectos. Molten Cabonate Fuel Cell Mecado Ibéico de Enegia Maximum Powe Point Tacke Nomal Opeation Cell Tempeatue Nokia Siemens Netwoks Opeação e Manutenção Out-Doo Unit Phosphoic Acid Fuel Cell Plesiochonous Digital Hieachy Polyme Electolyte Cell / Poton Exchange Membane Podução em Regime Especial Podutoes em Regime Especial com ecusos Renováveis Podução em Regime Odináio Rede Eléctica Potuguesa Synchonous Digital Hieachy Solid Oxid Fuel Cell Split Radio System up to STM-4 Standad Test Conditions Synchonous Tanspot Module level-1 Taxa Intena de Rentabilidade/Intenal Rate of Retun Taifa Única de Refeência Univesal Mobile Telecommunications System Valo Actual Líquido/Net Pesent Value Valve Regulated Lead-Acid Batteies extensible Makup Language ix

10 Lista de Símbolos T V S E H B Taifa de Venda P, P, P e P Potência Instalada Sola, Eólica, Hídica e Biomassa LME, Limites Anuais de Enegia, Sola e Restantes Poduções E, E P h a PS LME RP a 1 f 2 od E P Total Enegia Hoáia e Enegia Anual Potência Utilização Anual f e Fequências de Tansmissão Enegia Anual Total Poduzida Cons E a Enegia Anual Consumida Fot E a Enegia Anual Fotovoltaica Eol P n Potência Nominal Eólica Fotov P p Potência Fotovoltaica de Pico Eol h a Utilização Anual Eólica Fotov h a Utilização Anual Fotovoltaica W p Watt po pico N paineis Númeo de Painéis Painel P pico Potência de Pico po Painel I S I I V I V D 0 T Coente Eléctica geada po Feixe de Radiação Luminosa Coente num Díodo Coente invesa de Satuação num Díodo Tensão Coente Potencial Témico m Facto de Idealidade do Díodo K Constante de Boltzmann T Tempeatua em Kelvin q Caga Eléctica do Electão I Coente de Cuto-Cicuito cc V Tensão em Cicuito-Abeto ca V max, I max inv, P max Tensão, Coente e Potência Máxima η Rendimento do Inveso h P med Potência Media Hoáia V, I V I Tensão e Coente Refeência ca P max cc max, max Potência de Refeência θ, T Tempeatua de Refeência em Gaus e Kelvin, Radiação Nomal, Média e de Refeência G G med, G I 0 Coente Invesa de Satuação de Refeência x

11 h E Total fot Enegia Total Hoáia Fotovoltaica ε Hiato do Silício N SM, N PM Númeo de Módulos Ligadas em Séie, e em Paalelo P Min Potência Nominal Eólica Mínima Eol n Eol E a Enegia Anual Eólica u, u N u Velocidade de Cote, Nominal, e Máxima da Tubina 0, max c e k, ou a e k P e Paâmetos de Weibull Potência Eléctica de um Geado/Tubina P med Potência Média u (t) Velocidade do Vento Instantânea u (t) Velocidade do Vento Média em função do Tempo u (t) Tubulência do Vento f (u ) Descição Pobabilística de Weibull P e (u ) Potência Eléctica em função da Velocidade Instantânea da Tubina z, z 0 Altua da Tubina Real, e de Refeência E, E Enegia Fotovoltaica e Eólica Consumida Fot Cons Eol Cons ConvDC / DC E p Fot E Am, AmFot E p, Pedas de Enegia no Conveso DC/DC Eol E Am Enegia Fotovoltaica e Eólica Amazenada AmEol E p Pedas de Amazenamento Fotovoltaica e Eólica Sist E p Pedas totais de Enegia no Sistema Conv E p Enegia de Pedas de Convesão E cons Enegia Consumida paa uma dada Autonomia (dias) Total E am Enegia Total a Amazena (bateias) dod E am Enegia a Amazena paa acautela a Pofundidade de Descaga Am E p Pedas de Amazenamento Ban V n Tensão Nominal do Banco de Bateias Ban C n Capacidade Nominal do Banco de Bateias Cel C n Capacidade Nominal de uma Célula (Bateia) ConsSist E a Enegia Anual consumida pelo Sistema F, F 0 a c a act Pagamento Futuo, e Actual (hoje) Taxa de Actualização Custo Unitáio Médio Actualizado E Enegia Actualizada I, d t I act t I omj, j E aj, h aj k a P i, V Investimento Total, Actualizado e Valo Residual Despesas de O&M e Investimento no ano j Enegia e Utilização Anual no ano j Facto de Actualização no Modelo Simplificado Potência Instantânea xi

12 R, j R Lj Receita Buta e Líquida no ano j T ano1 Taifa no final do Pimeio Ano cons E mês m Enegia Consumida no Mês m T Total Taifa Total I i Investimento Inicial bat C total Custo Total do Banco de Bateias C / Custo do Conveso AC/DC AC DC Hibida C Total Custo Total da Solução Híbida L Distância Mínima que Rentabiliza a Solução Híbida min bat+ lin I i Investimento Inicial da Solução Bateias mais Linha Eléctica T cont Taifa da Potência Contatada lin bat C + total Custo Total da Solução Linha mais Bateias xii

13 1. Intodução As estações de telecomunicações são algumas vezes pojectadas paa locais emotos, muitas vezes elevados e de difícil acesso. A solução convencional paa alimentação de enegia eléctica da estação é constui uma linha de distibuição ligando-a ao sistema eléctico da egião. Esta solução, muitas vezes oneosa consideando as distâncias envolvidas e as condições de acesso, fica ainda dependente do gau de fiabilidade do sistema eléctico da egião e da pópia linha que, em geal, é bom. Neste sentido, o tabalho desenvolvido petende dimensiona um sistema de podução eléctica de foma a alimenta uma estação emota de telecomunicações que não esteja ligada a ede nacional e que seja técnica e economicamente viável. Paa esse efeito pocua-se-á a melho solução tecnológica confontando-se a solução clássica de podução de enegia eléctica, face a uma solução baseada exclusivamente em enegias altenativas. Paa além da viabilidade económica com enegias altenativas pocuada neste tabalho, é impotante te em consideação que estas apesentam vantagens ambientais com a edução de gases nocivos paa a atmosfea, contibuindo assim paa um desenvolvimento mais sustentável da sociedade actual e futua. 1.1 Estutua da Dissetação Este tabalho divide-se em 9 capítulos sendo a intodução, em que se inclui este texto, o pimeio capítulo. O capítulo 2 leva-nos à análise dos váios pocessos de podução de enegia eléctica e sua aplicação com base em soluções clássicas, ou soluções com enegias altenativas. Ainda dento do mesmo capítulo desceve-se sucintamente a situação enegética em Potugal, e a legislação em vigo aplicada à micogeação. Com a entada no capítulo 3 começamos po caacteiza a estação emota de telecomunicações e a identificação das váias altenativas possíveis de podução paa a sua alimentação. Somos então levados, após conhece a nossa caga (estação de telecomunicações), a estuda em detalhe a podução de enegia fotovoltaica e a podução de enegia eólica, temas abodados nos capítulos 4 e 5, espectivamente. Com base nesse conhecimento, é possível no capítulo 6 dimensiona a concepção física do sistema de alimentação eléctico a alimenta a nossa estação emota. Chegamos assim à ecta final com a avaliação económica do pojecto discutida no capítulo 7. Divesas análises são ealizadas do ponto de vista técnico e económico, esultando divesas conclusões concentadas no capítulo 8. Finalmente, o capítulo 9 tata das efeências bibliogáficas e anexos. xiii

14 2. Podução de Enegia Eléctica Iniciamos este tabalho com a análise dos váios pocessos de podução de enegia eléctica e sua aplicação com base em soluções clássicas, ou soluções com enegias altenativas (enováveis). Adicionalmente, e de uma foma muito sucinta, são dadas algumas noções de tanspote e distibuição de enegia, da situação enegética em Potugal, e da legislação em vigo aplicada à micogeação, tema hoje tão falado. 2.1 A Podução Eléctica A chamada cise enegética esulta natualmente da utilização cescente de matéiaspimas cuja tansfomação pemite obte enegia. Até ecentemente não havia a peocupação com o facto de que os combustíveis fósseis (ex. petóleo) tinham esevas limitadas 1. De facto, estes mateiais fósseis são enováveis, mas o tempo de fomação é de milhões de anos e o seu consumo é cada vez mais elevado, azão po que se consideam não enováveis, pois a capacidade natual de os epo é em geal mais lenta que o seu consumo. Da cescente necessidade de enegia esultou o alagamento da utilização ao gás natual, hoje bastante utilizado. Gande pate da enegia eléctica poduzida é consumida na indústia, sendo também lagamente utilizada noutas aplicações não industiais. As azões da sua gande utilização deivam da facilidade de a poduzi, de a tanspota, de a tansfoma e de a utiliza. Além disso, é não poluente, inodoa e sem uído. Paa a poduzi utilizam-se todos os pocessos conhecidos. A maioia deles esulta de tês fomas básicas de tansfomação de enegia [7]: a pati da enegia potencial e cinética (centais hidoelécticas), da enegia química (centais temoelécticas) e da enegia adiante (centais fotovoltaicas) Ciclo Clássico de Podução O ciclo de podução eléctica mais comum necessita de dispo de uma fonte de calo que pemita aquece água de modo a obte vapo sob pessão. Este vapo de água ao expandi-se numa tubina acciona um altenado que gea electicidade. Depois de tubinada, este vapo é condensado (nomalmente designado de condensado) atavés de uma fonte fia que é, nomalmente, uma fonte de água fia (cuso de água, ma) ou constituída po toes de aefecimento. A Figua 2.1 epesenta o ciclo de podução clássica de electicidade. 1 Nota que no caso das esevas de cavão estas são paticamente ilimitadas. 1

15 Figua 2.1 Ciclo Clássico de Podução Eléctica Sempe que o calo libetado pela condensação do vapo de água é ecupeado paa utilizações de aquecimento, fala-se em cogeação. No caso de se geaem 3 fomas úteis de enegia (enegia eléctica, calo e fio) num sistema integado, fala-se em tigeação. A fonte de calo clássica é obtida pela combustão de combustíveis fósseis (petóleo, gás, cavão) ou po uma eacção de cisão nuclea em eactoes concebidos paa contola a amplitude dessa eacção. Os combustíveis fósseis ou o uânio utilizado nos ciclos clássicos podem se substituídos po fontes de enegia enovável. A fonte de calo pode, então, se obtida a pati: da combustão de biomassa (madeia, biogás, esíduos ogânicos); do calo que se enconta nas pofundezas do nosso planeta, atavés da bombagem diecta de água quente paa a supefície ou exploando a tempeatua elevada das ochas que se encontam no inteio do planeta, utilizando água injectada a pati da supefície geotémica; do sol, concentando os seus aios atavés de espelhos ou exploando a água aquecida nas supefícies dos maes das zonas topicais Cadeia Eólica ou Hidáulica Com algumas enegias enováveis, a cadeia de podução eléctica não necessita de uma fonte de calo, é o caso da enegia eólica, hidáulica e sola fotovoltaico. No caso das enegias eólica e hidáulica, é a pessão do vento ou da água que acciona a otação de uma tubina que, po sua vez, acciona um altenado que poduz a electicidade. A Figua 2.2 epesenta esta cadeia de convesão enegética. Figua 2.2 Cadeia Eólica ou Hidáulica de Podução de Electicidade 2

16 O inteesse dos convesoes de potência é pemiti que o altenado funcione com velocidade vaiável e, assim, aumenta o endimento da convesão enegética, eduzindo a necessidade de uma egulação mecânica da tubina ou das válvulas, no caso da podução hidáulica. Este funcionamento a velocidade vaiável desenvolveu-se no domínio da podução hidáulica (em especial na mini-hídica) e tende a impo-se na eólica, onde este tipo de funcionamento apaece como natual devido às fotes vaiações na velocidade do vento. A electicidade pode se, igualmente, poduzida a pati de um moto Diesel ou de uma tubina a gás (deivada de um eacto de um avião) que acciona um altenado. A fonte de enegia pimáia são gealmente os combustíveis fósseis, mas é desejável substituí-los po biocombustíveis ou biogás Cadeia Sola Fotovoltaica No caso do sola fotovoltaico, a electicidade é poduzida diectamente po células de silício a pati da enegia contida na adiação sola. Convesoes de potência são nomalmente utilizados paa assegua a optimização da convesão enegética, isto possível atavés da alteação da tensão de saída no conveso de acodo com as condições ambientais de tempeatua e adiação. A Figua 2.3 epesenta essa cadeia de convesão. Figua 2.3 Cadeia Sola Fotovoltaica de Podução Eléctica 2.2 Podução Clássica de Enegia Nas centais clássicas são usados os combustíveis fósseis e nas nucleaes usam-se combustíveis adioactivos. Este tipo de centais são actualmente os que maio quantidade de enegia poduzem pelo facto de se possível poduzi enegia em qualque local, ao contáio das enováveis que em geal estão limitadas geogaficamente. É natual, apesa disto, que são escolhidos os locais mais vantajosos, como sejam os que estão na poximidade de cusos de água e os que têm facilidade de acesso a matéias-pimas, po via teeste ou maítima [7]. 3

17 2.2.1 Centais Temoelécticas Como é sabido, as centais de tubina a vapo são caacteizadas po empega a enegia témica do vapo no accionamento das tubinas. Paa isso se possível, possuem geadoes de vapo onde o calo esultante da queima do combustível (cavão, petóleo, gás natual, ou eacção nuclea) é utilizado paa aquece a água, até esta se tansfoma em vapo. O vapo em ciculação nas tubagens é levado a alta pessão e tempeatua, passando pelas pás e impimindo-lhe um movimento de otação (Figua 2.1 Ciclo Clássico de Podução Eléctica). Estas centais devem situa-se em locais de fácil acesso a abastecimento de combustível, e que possuam muita água Centais Nucleaes As centais nucleaes são ainda centais témicas, difeindo das convencionais essencialmente pelo tipo de combustível utilizado e da foma como é poduzido o vapo. Aqui o calo poduz-se pela cisão de átomos de uânio. Cisão nuclea A sua utilização na podução contolada de enegia levou a afigua-se como uma espeança paa a humanidade, pelo facto de esolve os poblemas enegéticos de uma foma mais económica. No entanto, dois poblemas se põem em elação a esta foma de enegia. Um deles efee-se à da eliminação dos esíduos, e o outo tem a ve com o facto de que a enegia nuclea actualmente obtida, po cisão nuclea, utiliza combustíveis também não enováveis (uânio). Fusão nuclea Outa espeança, sempe adiada, eside na enegia nuclea obtida po fusão nuclea. No entanto, existem enomes dificuldades que têm a ve com a necessidade de atingi 50 milhões de ºC num plasma e, póximo deste, se necessáia uma tempeatua póxima de -270ºC paa os ímanes supecondutoes. A gande vantagem da fusão nuclea seia a utilização de um combustível inesgotável, baato e não poluente, o hidogénio, abundante nos oceanos. Esta foma de enegia esolveia, pensa-se, o poblema enegético Centais a Gás O pincípio de funcionamento das centais de tubina a gás baseia-se na expansão dos gases de combustão de uma mistua gasosa sobe as tubinas. É constituída assim essencialmente po um compesso onde o a é inspiado e enviado paa a câmaa de combustão onde se mistua com o combustível. A mistua obtida e a foça expansiva dos gases vão actua sobe as pás da tubina, tansfomando a enegia témica em enegia mecânica, enegia esta que se vai tansfoma em enegia eléctica, pois a tubina está acoplada a um altenado. 4

18 2.2.4 Centais de Ciclo Combinado As centais de ciclo combinado são constituídas po váias unidades podutoas independentes. Nestas centais estão instalados dois ciclos (Figua 2.4), um de gás e outo de vapo, poduzindo ambos enegia eléctica. Os dois sistemas estão ligados po uma caldeia de ecupeação de calo (HRSG) onde se apoveita a enegia dos gases de escape da tubina a gás, paa gea vapo de água que alimenta a tubina a vapo. Um sistema de ciclo combinado eque consideavelmente menos combustível paa poduzi a mesma enegia eléctica que seia poduzida em dois sistemas simples sepaados. Com as tubinas modenas o endimento de uma instalação em ciclo combinado é já supeio a 50%. Figua 2.4 Cental de Ciclo Combinado (Gás & Vapo) Centais a Moto Diesel As centais a moto diesel (ou a gasolina) são constituídas po um moto de combustão intena acoplado a um altenado. A sua ápida colocação em seviço, pemite a sua utilização em instalações paticulaes ou públicas como gupos de emegência. Não necessitam de seviços auxiliaes e exigem pouca efigeação. 2.3 Fontes de Enegia Renováveis A pomoção e utilização de fontes enováveis paa a podução de enegia suge como necessidade de gaanti um desenvolvimento sustentável paa a sociedade actual e futua [8]. De facto, os sinais de aleta são fequentes e a consciencialização das foças de intevenção e sociedade em geal paa a poblemática enegética é cescente. 5

19 A dependência política e económica da enegia eléctica, com a extinção dos combustíveis fósseis, são assuntos que passam despecebidos à maio pate da população. No entanto, e mais ecentemente, os impactos ambientais sugiam como o pincipal motivo de peocupação e consciencialização das populações paa os assuntos elacionados com a enegia. A ealização de váias confeências paa a sensibilização dos impactos ambientais povocados pelos combustíveis fósseis, das quais se destaca o potocolo de Quioto (1998), contibuíam de uma foma significativa paa a definição de divesas metas no que diz espeito à edução de emissões de CO 2, e consequentemente à edução da utilização de combustíveis fósseis dando assim espaço a um maio desenvolvimento tecnológico em enegias enováveis Eólica O vento foi, duante muito tempo, a pincipal fonte de enegia do homem, ajudando-o a moe ceeais e na navegação maítima. Actualmente, este ecuso é utilizado em todo o mundo paa a podução de enegia eléctica, sendo que em Potugal existem locais onde o potencial eólico justifica claamente a sua exploação comecial atavés dos conhecidos aeogeadoes. Estes são implantados em paques eólicos, cujas zonas apesentam caacteísticas eólicas azoavelmente homogéneas. Apenas a título infomativo, uma tubina (aeogeado) standad actual pode se pojectada paa um potência nominal na odem dos 2 MW, cujo o diâmeto das pás do oto é na odem dos 80m paa um masto com ceca de 70m de altua. A enegia eólica tem egistado nos últimos anos uma evolução vedadeiamente assinalável. De 1998 até 2009 foam instalados mais de 110 GW de potência eólica pefazendo um total de ceca de 120 GW a nível mundial, em que a esmagadoa maioia se enconta na Euopa (65 GW actualmente na Euopa dos 27). Como líde encontam-se os Estados Unidos da Améica, com 26 GW instalados, seguido da Alemanha e Espanha com 24 GW e 16 GW instalados, espectivamente. Mesmo assim, Potugal não acompanhou o cescimento que se veificou na maioia dos países desenvolvidos nas décadas de oitenta e noventa. No entanto, a situação da enegia eólica em Potugal é hoje completamente difeente, assistindo-se a um dinamismo inédito nos últimos anos face à eestutuação do secto eléctico, legislação específica, e apovações de diectivas paa o desenvolvimento desta enegia. Os dados disponíveis mais ecentes indicam que no final de 2008, a potência total instalada em apoveitamentos eólicos em Potugal é de ceca de 3 GW, espeando-se a instalação de mais 900 MW em Posicionando-se assim Potugal em 10º luga na tabela de anking mundial [2]. 2 As enegias enováveis no âmbito da União Euopeia são compostas pelas enegias sola, hídica, eólica, biomassa, geotémica e esíduos. 6

20 2.3.2 Hidoeléctica A hidoelecticidade é hoje uma das fomas tadicionais de podução de enegia contibuindo ainda com uma pacela significativa paa a podução nacional (18% em 2007 e 11% em 2008). É nomalmente uma oba de gande envegadua que, tem como objectivo pincipal ete o caudal do io de modo a foma-se uma albufeia ou, uma bacia de amazenamento. No entanto, oiginam lagos e albufeias de gandes dimensões que po vezes têm associados impactos ambientais e sociais. Po outo lado, os locais disponíveis paa a constução de gandes apoveitamentos estão a acaba. O gupo geado nas hidoelécticas é assim constituído pelo conjunto tubina-altenado, que ao ecebe a enegia cinética da água a gande pessão nas tubinas povoca o movimento de otação das suas pás, que é comunicada ao eixo do altenado e consequentemente à geação de enegia eléctica Mini-Hídica Os apoveitamentos hidoelécticos podem se feitos em dimensões mais eduzidas, até po vezes sem ecoe a amazenamento de água e assim com impactos ambientais bastante eduzidos. Caso não se ecoa ao amazenamento de água, designam-se estes apoveitamentos como centais de fio de água em que não há a possibilidade de se egulaiza o caudal, pelo que o caudal utilizável é o caudal instantâneo do io. A designação cental mini-hídica genealizou-se assim em Potugal paa designa os apoveitamentos hidoelécticos de potência infeio a 10MW Oceanos A possibilidade de se extai enegia dos oceanos tem intigado as pessoas ao longo dos tempos. Actualmente podemos dividi os apoveitamentos enegéticos do oceano em dois: enegia das ondas, e enegia das maés. O apoveitamento da enegia das ondas consiste na tansfomação da enegia esultante do movimento peiódico das massas de água paa a podução de enegia eléctica. Existem actualmente já algumas tecnologias com aplicabilidade e muitas outas em fase de teste e demonstação. A enegia das maés consiste no apoveitamento dos desníveis de água que esultam das subida e descida das maés. O pincípio de funcionamento de uma cental de maé é bastante semelhante ao funcionamento de uma cental hídica, no que diz espeito ao apoveitamento da enegia cinética das massas de água. Nestas centais, instaladas muito peto da foz dos ios ou já no oceano em locais com caacteísticas especiais, existe a capacidade de amazenamento de água. Desta foma é possível obte desníveis que esultam dos difeentes níveis das maés. 7

21 2.3.5 Enegia Geotémica Uma excepção às centais temoelécticas clássicas (ciclo de água-vapo), que utiliza enegia enovável, é o caso das centais geotémicas que utilizam enegia témica existente nas entanhas da tea em egiões vulcânicas, como acontece em Itália e nos Açoes (Potugal). O pocesso de funcionamento é análogo ao das estantes centais clássicas com algumas adaptações às condições paticulaes de obtenção do vapo sob pessão. Natualmente que os locais onde é possível este tipo de apoveitamento estão limitados apenas a algumas egiões Bio-Enegia Biomassa Recuso enegético com lagas tadições em Potugal, a biomassa é uma fonte de enegia que deiva do apoveitamento enegético das floestas e seus esíduos, e esíduos povenientes de exploações ago-alimentaes. Uma impotante componente no apoveitamento deste tipo de ecuso está elacionada com as políticas de limpeza e consevação da floesta. Este tipo de esíduos que, muitas vezes, são os causadoes da ápida popagação dos incêndios floestais, podem se apoveitados como fonte enegética. A limpeza da mata de uma foma sustentada pemite que seja alcançado um equilíbio, e dessa foma, peseva um ecuso vital que é a floesta e simultaneamente pocede-se à valoização enegética. Biocabuantes Os Biocabuantes são obtidos a pati duma matéia-pima vegetal. Dois motivos levaam ao seu desenvolvimento: a alta dos peços do petóleo veificada pimeiamente em 1973, e a poluição geada pelos gases de escape esultantes da utilização dos cabuantes clássicos. O Basil desempenhou um papel pioneio neste domínio quando o goveno lançou em 1975 o pogama "Poalcool", com a utilização de combustíveis contendo 22% de etanol obtido da cana-de-açúca (ou do tigo). Há no Basil 4,5 milhões de veículos assim equipados, veificando-se esultados ecológicos positivos. No entanto, há quem seja de opinião que, emboa emitindo menos gases pejudiciais como o dióxido de cabono, o uso genealizado de biocabuantes pode poduzi outos efeitos peigosos, nomeadamente os elacionados com a eacção bônquica. Biogás A decomposição da matéia ogânica dos esíduos dá oigem à podução de biogás, um gás composto na sua maioia po metano e dióxido de cabono. Em alguns países a aplicação de tecnologias dispendiosas inviabilizou o apoveitamento deste gás paa a podução de enegia. O sucesso destes empeendimentos depende de um compomisso consciente ente custos, benefícios e tecnologia. 8

22 Biodiesel O biodiesel é um combustível poduzido a pati de óleos vegetais, óleos de cozinha usados ou goduas animais. É não tóxico, biodegadável e enovável, e substitui o gasóleo. As emissões poduzidas pela utilização de biodiesel puo são substancialmente menoes quando compaadas com as do gasóleo. Pode se poduzido ecoendo a tecnologias simples e não muito dispendiosas, sendo que em Potugal pode alcança um luga de destaque na sua podução e utilização, contibuindo paa a edução da dependência extena de petóleo bem como paa a ciação de iqueza e potecção do ambiente Sola Fotovoltaíco Os sistemas fotovoltaícos poduzem enegia eléctica a pati da adiação sola. São sistemas de elevada fiabilidade, de baixa manutenção, com ausência de uído e não poluentes. Constituídos po células fotovoltaicas (dispostas em painel sola) de tensão de saída na odem dos 0.45V, a sua inteligação em séie e paalelo pemitem obte valoes nomalizados de tensão (12V, 24V) e aumentos de potência. As caacteísticas do sola fotovoltaíco fazem com que a instalação deste tipo de sistemas seja bastante atactivo em locais onde não exista ede de distibuição eléctica, po azões ambientais, ou até po azões de odem estética. É comum enconta sistemas fotovoltaícos no dia a dia, nomeadamente paa alimenta máquinas de pé-pagamento de estacionamento, ou sistemas de telecomunicações. A gande desvantagem destes sistemas é ainda o custo elevado po MWh, ultapassando o peço da electicidade da ede pública. Pevê-se no entanto um cescimento na utilização destes sistemas nos póximos anos, face ao aumento da sua competitividade e das aplicações com ecuso a esta tecnologia. Témico Os colectoes solaes, vulgamente conhecidos po painéis solaes, não devem se confundidos com painéis fotovoltaicos e são nomalmente utilizados apenas paa o aquecimento de águas. A cobetua do colecto sola é de vido, e logo, tanspaente à adiação visível. Esta adiação ao enta no colecto aquece-o emitindo adiação menos enegética, a infavemelha, que fica etida no colecto uma vez que o seu inteio é opaco à adiação infavemelha. Desta foma conseguimos um sistema de alto endimento com base no efeito de estufa. A elevada tempeatua atingida na placa absosoa é assim tansfeida paa uma sepentina de tubos (onde cicula um fluído de elevada condutibilidade témica) que inteliga o colecto sola a um depósito po cima deste. O fluído aquecido no colecto sola sobe até ao depósito que está po cima deste, aquecendo a água paa as mais vaiadas taefas. Após esta tansfeência de calo, o fluido teá aefecido, ficando mais denso e descendo de volta ao colecto, onde einiciaá o seu ciclo. 9

23 Este pincípio de ciculação do fluído é designado po temossifão, que implica que o depósito esteja po cima do painel, caso não seja essa a situação, teemos então de povoca ciculação foçada atavés de uma bomba de água adicional. Nunca se fica ealmente independente, pois em dias enevoados e chuvosos o endimento é bastante eduzido. À noite não existe luz sola, e no caso de utilização mais intensiva acaba po se necessáio ecoe à esistência eléctica que se enconta no inteio do depósito. Outa vaiante é a sua utilização do sola témico paa a geação de enegia eléctica, cujo pincípio de funcionamento consiste em tansfoma enegia témica contida no fluido em enegia eléctica, atavés de um ciclo de água-vapo (ve secção 2.1.1). 2.4 Tanspote e Distibuição de Enegia Paa o tanspote de uma dada potência apaente (S=U.I) aumenta-se a tensão U, o que apesenta poblemas ao nível de isolamento, eduzindo o valo da coente e consequentemente a secção dos condutoes, economizando mateial e as pedas po efeito de Joule (P=.i 2 ). Paa cada nível de potência a tanspota e distância a vence, há um nível óptimo de tensão cujo valo pode i de 10 a 400kV, podendo ainda toma a foma de coente monofásica (220V) ou tifásica (380V) de acodo com a aplicação. Sendo feita em coente altenada, a tansmissão da enegia eléctica pemite a utilização do tansfomado como fácil e económico (com eduzidas pedas) de obte o nível de tensão desejado. Define-se como Subestação uma instalação de alta tensão destinada à tansfomação da coente eléctica quando estes se destinam a alimenta postos de tansfomação ou subestações; e como Posto de Tansfomação uma instalação de média tensão destinada à tansfomação da coente eléctica quando a coente secundáia fo utilizada diectamente nos eceptoes (380/220V). Relativamente às linhas de tanspote estas podem se de Alta Tensão, Média Tensão e de Baixa Tensão. As linhas de Alta Tensão são aquelas cuja tensão nominal é igual ou supeio a 60kV e unem os centos podutoes (centais témicas, hídicas eólicas, etc.) às subestações. São nomalmente aéeas podendo, no entanto, se subteâneas. As linhas aéeas são constituídas po apoios, nomalmente metálicos, sendo os condutoes suspensos ou apoiados po isoladoes. Quanto às linhas de Média Tensão, são aquelas cuja tensão nominal é infeio a 60 kv (tensões mais comuns são 10,15 e 30 kv). Estas linhas ligam as subestações aos Postos de Tansfomação e podem se aéeas ou subteâneas. As aéeas são nomalmente em cabo nu, apoiadas em postes de betão (mais comum) ou metálicos, sendo os condutoes suspensos ou apoiados po isoladoes. 10

24 Relativamente às linhas de Baixa Tensão, são aquelas cuja tensão nominal é infeio a 1000 V, e levam a enegia eléctica desde os Postos de Tansfomação ao longo das uas e caminhos até aos locais onde é consumida em Baixa tensão. Tal como nos casos anteioes, podem se aéeas ou subteâneas, e sendo aéeas são nomalmente em condutoes nus ou isolados em feixe (cabo toçada). As linhas em conduto nu estão fixas sobe isoladoes e apoiados em postes de betão, ou sobe postaletes metálicos fixos na fachada. Os cabos de distibuição de baixa tensão são nomalmente constituídos po cinco condutoes um dos quais se destina à iluminação pública. No caso de uma instalação de uma linha em baixa tensão (380/220V), e potanto, apopiada paa alimenta uma estação de telecomunicações, esta tem um custo médio estimado que vaia ente 10 a 12 po meto em cabo toçada 3, assumindo que a fixação dos postes elécticos não acaeta complicações de maio. 2.5 Situação Enegética em Potugal Petende-se agoa pecebe qual a situação enegética em Potugal, não só em temos de evolução de consumo e potência instalada po secto de podução, mas também qual o seu valo negociado no mecado ibéico de electicidade (MIBEL) [4] Evolução e Situação Enegética Até sensivelmente finais da década de 90 a podução de enegia em Potugal fez-se fundamentalmente com base no cavão, no petóleo, e na enegia potencial e cinética da água (hídica). Só a pati de 1998 é que se dá início à podução com base no gás natual, e uma tendência de diminuição na utilização do petóleo. Actualmente, e como ilusta a Figua 2.5, o consumo anual enegético em Potugal onda os 50TWh com uma tendência de cescimento lento. Esta estabilização do consumo nos últimos anos está em pate associada ao atingimento da fase de matuação na utilização da electicidade po pate dos consumidoes, e povavelmente à cise económica que nos últimos anos tem assolado o País. Talvez até as pópias campanhas de sensibilização de poupança enegética, ou à utilização de equipamentos cada vez mais eficientes, tenham de alguma foma contibuído também paa esta estabilização. A ecente aposta nas enegias enováveis fez com que fosse definida uma classe onde se encontam estas fontes de enegia (eólica, fotovoltaica, etc.), designadas assim de podução em egime especial (PRE 4 ), em contadição às fontes de enegia clássicas designadas de podução em egime odináio (PRO). 3 Estimativa fonecida pela secção de enegia do Instituto Supeio Técnico 4 Engloba a podução de enegia em centais hidoelécticas com potência instalada até 10 MVA, em centais usando outos ecusos enováveis, e em centais de cogeação. 11

25 Figua 2.5 Evolução Enegética em Potugal po Sectoes de Podução De ealça o aumento do saldo impotado decoente da libealização do mecado (MIBEL 5 ), assim como o aumento na podução em egime especial (PRE) elativo à enegia eólica (11% em 2008). Quanto à podução hídica, esta está muito dependente das condições climatéicas que em anos de seca sofe enomes quedas (caso do ano 2005). Relativamente à potência instalada, esta ascende já os 15GW, sendo 10,5GW baseada em podução em egime odináio (PRO), e o estante em podução de egime especial (PRE). A Tabela 2.1 desceve a epatição de potências instaladas em Potugal po fonte de enegia. Tabela 2.1 Potência Instalada em Potugal po Sectoes de Fontes de Enegia [REN 2008] 5 Mecado Ibéico de Electicidade 12

26 Dento das enováveis (PRE), é o secto eólico que tem apesentado maio cescimento (Figua 2.5) totalizando mais de 1500 geadoes instalados, paa uma potência conjunta acima dos 2,5GW. Mais de 1000 destes geadoes têm uma potência unitáia igual ou supeio a 2 MW, cujos os pincipais fabicantes são a Enecon com 45% do mecado, seguido da Vestas com 18%. De salienta que, emboa tanto a enegia eólica como a fotovoltaica tenham uma caácte altamente pobabilístico, numa base anual apesentam uma utilização elativamente constante, ou seja, é geada anualmente uma enegia média que depende apenas da potência instalada, e que no caso da eólica epesenta ente 2100 a 2400 hoas anuais equivalentes de podução paa uma dada potência instalada. Contaiamente à hídica que em anos de seca (ex. 2005) a utilização anual cai paa valoes nada pevisíveis com necessidade de se ecoe a outas fontes enegéticas. Além de que, as hídicas oiginam lagos e albufeias de gandes dimensões que po vezes têm associados impactos ambientais e sociais, o que podeá esulta na inviabilização da implementação do pojecto hidoeléctico (ex. Foz Côa). O maio poblema das enegias enováveis é o facto de não seem contoláveis, ou seja, a podução de enegia depende em cada instante da disponibilidade do ecuso. Afaste-se assim a ideia de um dia podemos atingi 100% da enegia necessáia baseada em ecusos enováveis, caso estes tenham uma disponibilidade aleatóia. Somos sempe foçados, no limite, a combina as enegias não contoladas (enováveis) com enegias contoladas (clássicas). Adicionalmente, e mesmo que o investimento em enováveis face às enegias clássicas não paeça entável, contibui-se-á na edução de emissões de CO 2 paa a atmosfea, e a enegia eólica tem sido um bom exemplo dessa contibuição Custo Médio da Enegia Eléctica O custo de aquisição de enegia eléctica poveniente de PRE em 2007, po pate do comecializado de último ecuso, cifou-se em 94,5 /MWh, face ao valo médio 54,38 /MWh negociados na MIBEL. A Tabela 2.2 desceve com mais detalhe o peço médio de aquisição da PRE, sepaado po tecnologia. De nota que a fotovoltaica é de longe a que apesenta maio valo de aquisição. 13

27 Tabela 2.2 Peço de aquisição Médio da PRE po Tecnologia [ERSE, 2008] 2.6 Micogeação (Deceto-Lei nº363/2007) Existem actualmente dois tipos de podução de enegia injectada na ede pelos podutoes enováveis : a podução descentalizada (PRE-R 6 ) em unidades de pequena potência dispesas nas edes de distibuição e de tanspote, emuneada com base num taifáio Vede; e a micogeação (ou micopodução) integada no local da instalação eléctica de utilização, acessível às entidades que disponham de um contato de compa de electicidade em baixa tensão, sendo esta última o tema a aboda nesta secção [5]. A legislação definida elativa à micogeação aplica-se apenas a instalações de podução monofásica em baixa tensão com potência de ligação até 5,75kW (gupo I), e desde que utilizem ecusos enováveis. Adicionalmente, a potência injectada na ede pública não pode se supeio a 50% da potência eléctica contatada, com excepção aos condomínios. Existem 2 tipos de egime emuneatóio que se passam a desceve de uma foma muito sucinta e focada em instalações não integadas em condomínios: Regime Geal: Instalações com potência até 50% da potência contatada, com máximo de 5,75kW. Regime Bonificado: Aplica-se a potências de ligação até 50% da potência contatada, com um máximo de 3,68kW. No caso de utilização de fontes de enegia enovável, deve-se ainda dispo de colectoes solaes témicos paa aquecimento de água, com 2 um mínimo de 2 m de áea. A legislação define uma taifa única de efeência (TUR=617,5 /MWh 7 ), aplicável à enegia poduzida no ano da instalação e mantendo esse valo duante cinco anos. 6 Podutoes em Regime Especial que utilizem ecusos Renováveis 7 Potal EDP: Valo esultante da potência acumulada de 3,63 MW a 2 Novembo

28 Após o peíodo de 5 anos pevisto e duante o peíodo adicional de 10 anos, aplica-se à instalação de micogeação, anualmente, a taifa única coespondente à que seja aplicável no dia 1 de Janeio desse ano a novas instalações equivalentes. Po cada 10 MW adicionais de potência de ligação egistada a nível nacional, a taifa única aplicável é sucessivamente eduzida em 5%. Após o peíodo mencionado (15 anos) aplica-se-á à instalação de micogeação o egime geal. A Tabela 2.3 explicita o valo da TUR de acodo com a tecnologia. Tabela 2.3 Pecentagem da TUR e Limites de Aplicação Consoante a Tecnologia [Jan09] No caso de sistemas híbidos, a taifa de venda, comecializado é obtida atavés de: T V, de enegia do poduto ao LME T = V PS TUR P S + LME LME PS RP P S [ 70% TUR P + 30% TUR ( P + P )] + LME RP ( P E E + P H + P B ) H B Equação 2.1 Em que P, P, P e P são as potências sola, eólica, hídica e de biomassa, S E espectivamente, e estantes poduções, espectivamente. H B LME, LME os limites máximos anuais de enegia vendida sola e de PS RP 15

29 3. Caacteização da Estação Remota de Telecomunicações Com vista ao dimensionamento do sistema de podução e possível amazenamento de enegia eléctica, começou-se po caacteiza as exigências de consumo da estação emota de telecomunicações, e quais as possíveis altenativas de podução paa este tipo de aplicação. 3.1 Caacteização do Consumo da Estação Remota Nesta etapa, petende-se estima o consumo médio diáio de enegia eléctica, ou seja, defini a cuva de caga tanto em temos diáios como sazonais. Com estes dados consegue-se visualiza as caacteísticas pevistas paa o consumo de electicidade adequando-se o sistema paa que a podução satisfaça sempe o consumo. Esta deteminação é em geal complexa poque depende do uso que se faá no futuo do sistema, nomalmente vinculado a hábitos e otinas dos usuáios difíceis de detemina e vaiáveis ao longo do tempo. No entanto, e como se iá ve na secção seguinte, o nosso sistema emoto de telecomunicações é bastante deteminístico uma vez que exigiá uma potência elativamente constante e que esteja sempe disponível. O cálculo da enegia anual poduzida paa a nossa estação de telecomunicações facilmente se pode extai a pati da seguinte expessão: E = P a h a Equação 3.1 Em que P epesenta a potência instalada no sistema e ha a utilização anual do ecuso enegético em causa. Este último epesenta o númeo de hoas equivalentes, numa base anual, que uma dada potência instalada (eólica, sola, hídica) é utilizada paa geação de enegia. Se no entanto nos posicionamos na caga, este epesenta o númeo de hoas equivalentes anuais que a caga iá funciona na sua potência exigida (consumo) Estação Remota de Telecomunicações A nossa estação emota de telecomunicações em causa insee-se na classe de equipamentos de micoondas a funciona na camada de agegação, ou seja, estabelece a ligação ente a ede de acesso (GSM, UMTS) e a ede Coe (SDH, DWDM) atavés de feixes hetezianos. Nota que a topologia utilizada nas camadas de agegação e Coe são nomalmente em anel, gaantido assim que o táfego pecoe todas as estações envolvidas e cada link ente estações é em geal composto de potecção (edundância). 16

30 A Figua 3.1 eflecte a situação descita; nota que os débitos de tansmissão são tanto maioes quando mais nos apoximamos da ede Coe, e consequentemente há também alteação nas tecnologias de tansmissão (GSM, UMTS, PDH, SDH, DWDM). Figua 3.1 Rede Típica de Telecomunicações Móveis em Micoondas A nossa estação emota de telecomunicações, que se posiciona na camada de agegação, está em geal situada em locais isolados e elevados uma vez que se petende agega e tansmiti infomação a longas distâncias ecoendo ao uso das micoondas. Nesta classe, as estações mais emotas no que diz espeito ao acesso físico e enegético são econhecidas po epetidoes, cuja a sua função passa essencialmente pela egeneação do sinal paa que este possa pecoe maioes distâncias. Há essencialmente duas fomas de se egenea o sinal, ou de uma foma passiva ecoendo à utilização de espelhos, ou de uma foma activa po utilização de eceptoes e tansmissoes. Esta última, apesa de necessita de alimentação eléctica paa funciona apesenta muito maio ganho e meno custo, e consequentemente é a mais utilizada. Basicamente, podemos assumi que o epetido passivo aplica-se essencialmente a situações onde se petenda muda a diecção do feixe hetziano paa contona obstáculos, enquanto que o activo paa pecoe longas distâncias onde o aumento do nível de potência é fundamental. Um equipamento de telecomunicações, com as caacteísticas efeidas, pode se encontado no fabicante Nokia Siemens Netwoks (NSN) e é designado po SRA4 (Split Radio System up to STM-4) [9]. A escolha do mesmo tem a ve com a implementação, po pate da REN 8, de uma ede de agegação com base nos efeidos equipamentos e onde se conhece a localização dos mesmos, condição essencial paa a concepção física da alimentação eléctica. Optou-se assim po efectua um estudo o mais póximo da ealidade, e se possível com base em dados eais. 8 Redes Enegéticas Nacionais 17

31 Este equipamento é composto po 2 unidades pincipais, In-Doo Unit (IDU), e Out-Doo Unit (ODU). A pimeia (IDU) foi desenhada paa opea em locais fechados, não estando potanto potegida conta as condições climatéicas, ao contáio da segunda (ODU). A necessidade da existência de uma unidade exteio, paa além obviamente da antena de micoondas, pende-se à necessidade de desloca o sinal de alta fequência (HF) ecebido na antena de micoondas, paa uma fequência intemédia (IF), e vice-vesa se considea-mos que estamos a tansmiti. O nível de potência de saída do sinal é também contolado po este dispositivo. A ligação ente estes 2 dispositivos, IDU e ODU, faz-se simplesmente atavés de um cabo coaxial que é pecoido pelo sinal IF e enegia povidenciada pela unidade IDU. A mais valia desta aquitectua (sepaação) é o facto de se pode altea a fequência de tansmissão ente antenas tocando apenas as unidades ODU, simplificando assim o pojecto caso haja necessidades de alteação de última hoa ao plano de fequências esevadas. A Figua 3.2 mosta o aspecto das componentes que constituem a nossa estação emota de telecomunicações, também designada de epetido activo. Nota que as unidades ODU estão acopladas às antenas de micoondas (nomalmente em foma de paábola). Figua 3.2 Componentes da Estação Remota de Telecomunicações (SRA4) O nosso epetido (Figua 3.3) é assim constituído po 4 unidades ODU e, 2 IDU, optandose assim po um esquema de potecção 1+1 em que o link ente estações é sempe potegido atavés de um segundo compimento de onda, f 2. Ou seja, a mesma infomação é enviada em f 1 e f ambas as fequências ( 2 ), no entanto, na ecepção, apenas um sinal é ecolhido. Esta aquitectua não só pevine possíveis falhas num dos links, como pemite que as unidades eceptoas ecolham em tempo eal o melho sinal, seja poveniente da fequência f 1, ou f 2. 18

32 1 e f Optou-se também po envia e ecebe as fequências ( 2 ) em antenas sepaadas, tal como ilusta a Figua 3.3. A vantagem desta opção é o facto de povocamos uma maio f 1 e f difeença nos sinais detectados, 2, e consequentemente ecolhemos o melho sinal de cada uma em tempo eal, esquema também conhecido como Fequency Divesity Potection. Nota ainda que os Links de tansmissão assentam sobe tecnologia SDH, e onde cada Link é composto po uma tama STM-1 com um débito de tansmissão de 155 Mbits/s. f ODU A1 ODU B1 f1 STM-1 f2 STM-1 ODU A2 IDU A IDU B ODU B2 f1 STM-1 f2 STM-1 Figua 3.3 Repetido Activo de Telecomunicações com Links STM-1 (SRA4 1+1) Nomalmente, exige-se, a existência de a condicionado paa o bom funcionamento dos equipamentos de telecomunicações. No entanto, e ecoendo à descição técnica do fabicante elativa ao equipamento SRA4 dada na Tabela 3.1 9, veifica-se que este equipamento ao se instalado em Potugal Continental funciona pefeitamente bem mesmo na ausência de climatização, uma vez que tanto a tempeatua como a humidade ambiental anual se encontam dento dos paâmetos admissíveis dados pelo fabicante. Donde, na deteminação do consumo enegético da estação emota de telecomunicações não se deveá inclui consumos enegéticos paa efeitos de climatização. Tabela 3.1 Caacteísticas Ambientais das Unidades IDU e ODU do Sistema SRA4 IDU (Indoo Equipment) ODU (Outdoo Equipment) Tempeatue Limits: -5 to 50ºC Humidity Limits: 5% to 95% Maximum Tempeatue Limits: Up to 55ºC Tempeatue Limits: -33 to 55ºC Humidity Limits: 15% to 100% Maximum Tempeatue Limits: Up to 55ºC 9 Po questões de CopyRight apenas a bochua do SRA4 é disponibilizada 19

33 Novamente, da descição técnica do fabicante (Tabela 3.2) podemos extai a infomação elativa ao consumo de cada componente que constitui o equipamento SRA4. Tabela 3.2 Consumo Enegético das Unidades IDU e ODU do Sistema SRA4 IDU Powe (pe each unit) SRA4 standad Powe Consumption 1+0 (el. and opt.) SRA4 standad Powe Cons 1+1(el. & opt.) SRA4-STM1 (New Model) Powe Consumption 1+0 (el. and opt.) Electical i/f: < 30 W ±10% Optical i/f: < 32 W ±10% Electical i/f: < 51 W ±10% Optical i/f: < 55 W ±10% Electical i/f: < 24,5 W ±10% Optical i/f: < 24,8 W ±10% SRA4-STM1 (New Model) Powe Consumption 1+1(el. & opt.) Electical i/f: < 41,8 W ±10% Optical i/f: < 42,2 W ±10% Fequency Band (GHz) 6U/6L 7/8 11/ /38 Total Powe Absobed By ODU (W) (pe each unit) Powe consumption (fom battey -48 V) with ± 10% toleance Recoendo à definição da estação emota de telecomunicações (epetido activo - Figua 3.3), e tendo em consideação as especificações técnicas dadas acima pelo fabicante, optamos assim pelo pio caso, ou seja, paa as unidades IDU vamos assumi o SRA4 standad 1+1, e paa as unidades ODU a banda 6U/6L, esultando assim o seguinte consumo da nossa estação de telecomunicações: Tabela 3.3 Consumo Enegético da Estação Remota de Telecomunicações Dispositivos nº Potência Total [W] Utilização Anual da Pot. h a [ h] Enegia Anual 10 E Cons a [ MWh] ODU 4 60x4= ,10 IDU 2 (55W±10%)x2 => ,06 Custo de Refeência 4x2.500 = x = TOTAL , Recoendo à Equação

34 Definimos assim a nossa cuva de caga tanto em temos diáios como sazonais, que paa este caso em paticula não é mais que uma constante ao longo do tempo. Facilmente se compeende que o nosso epetido activo, que exige uma potência elativamente constante, deveá esta sempe disponível na ede de telecomunicações, seja dia, seja noite, caso contáio haveá inteupção de táfego na ede de agegação, e consequentemente nas comunicações móveis que fazem uso das edes GSM/UMTS na camada de acesso acima mencionada. Do ponto de vista do dimensionamento do sistema de podução a taefa fica simplificada, uma vez que podemos ajusta a podução ao consumo com elativa facilidade, como mais adiante se veá. Nota ainda que, aquando o dimensionamento enegético deste sistema a alimentação do mesmo deve-se-á faze com base nos -48V ± 10%, coente continua Localização da Estação Remota Como mencionado na secção anteio, a escolha deste sistema de telecomunicações teve a ve com o conhecimento das localizações destas estações, implementados pela REN, e po seem estes os sistemas que se situam na classe dos que estão mais emotos no que diz espeito ao acesso físico e enegético. Mais ainda, estamos peante um caso eal onde a documentação técnica está disponível (bochua, especificações, etc.), assim como as configuações mais comuns e neste caso implementadas pela REN. É sabido assim que, no que diz espeito ao conjunto de epetidoes, as seguintes localizações foam utilizadas na ede de telecomunicações da REN, isto na camada de agegação: Tabela 3.4 Localização das Estações Remotas de Telecomunicações Note Oeste Repetido Dispositivos Localizações Note Oeste Activo 4 ODU + 2 IDU São Pedo Velho Miandela, Bagança São Mamede Viana do Castelo Passivo 2 Espelhos Esposade Matosinhos, Poto Vilainho das Funas Geês, Baga/Vila Real A Tabela 3.4 e espectiva Figua 3.4 dá-nos assim a localização de 2 epetidoes activos, e de 2 epetidoes passivos. Vamos po agoa assumi o epetido activo instalado em São Pedo Velho, concelho de Miandela, Distito de Bagança, e com base neste dimensiona o nosso sistema de podução. 21

35 Figua 3.4 Mapa das Localizações das Estações Remotas de Telecomunicações 3.2 Podução de Enegia paa a Estação Remota Petende-se agoa dimensiona o sistema de podução paa alimenta a estação emota de telecomunicações. A quantidade de enegia poduzida anualmente teá que se supeio ao valo da enegia consumida anualmente. No total seá, no mínimo, igual à soma da enegia total consumida, com possíveis pedas que se ião veifica no sistema de amazenamento, convesão (AC-DC-AC) e tanspote, caso existam. Se o sistema de podução fica junto à estação emota facilmente se pecebe que as pedas de tanspote são despezáveis. Seguem-se algumas consideações com objectivo de se encontaem as melhoes soluções paa o fonecimento enegético da estação emota de telecomunicações, seja com base na análise da podução clássica, enegia enovável, ou mesmo de amazenamento Solução Baseada na Podução Clássica De foma a alimenta o nosso sistema de telecomunicações baseado na podução clássica de enegia, e consideando as váias fontes de enegia analisadas (Secção 2.2), esulta que o fonecimento enegético à nossa estação deve-se-á efectua via linhas de tansmissão de enegia, ou ecoendo à utilização do Moto Diesel. A opção Moto Diesel é nomalmente mais utilizada em Países onde o fonecimento eléctico é inceto, como é o caso de Moçambique. Aqui, independentemente da distância onde se enconta a linha de tansmissão mais póxima (posto de tansfomação), é sempe boa política dota o sistema de edundância enegética, caso contáio as comunicações ião oscila ao itmo das falhas enegéticas, situação não desejada. Felizmente em Potugal Continental, onde está localizada a nossa estação emota de telecomunicações, a necessidade de um sistema de edundância enegética é bastante meno. 22

36 Conhecidas as dificuldades que são o tanspote de combustível paa o Moto Diesel, associadas a eduzidas autonomias (váias hoas) e necessidades de manutenção, apenas devemos consideá-lo como sistema de edundância enegética à linha de tansmissão eléctica Solução Baseada em Enegias Renováveis A viabilidade de pojectos elacionados com enegias enováveis depende fundamentalmente da disponibilidade dos ecusos utilizados na podução de enegia (Secção 2.3), diminuindo assim o custo total do pojecto que depende, essencialmente, da quantidade de potência a instala. No pojecto em questão os sistemas fotovoltaícos de enegia são os mais indicados paa uso em estações de telecomunicação isoladas (emotas), onde os consumos de enegia eléctica não são muito elevados e onde se necessita fiabilidade e baixo nível de manutenção. Uma outa hipótese é a utilização de sistemas eólicos já que estas estações de telecomunicações nomalmente situam-se em zonas altas paa que estejam em linha de vista com as outas estações eceptoes/emissoas. A combinação desta com a sola pode no entanto eduzi a inceteza da sua inexistência já que ambas têm um caácte pobabilístico ineente aos ecusos natuais Amazenamento de Enegia Com objectivo de se gaanti o fonecimento ininteupto de enegia a utilização de bateias é essencial, em paticula quando se faz uso de ecusos natuais e estes estão ausentes (duante a noite e sem qualque vento). As bateias são também de gande utilidade no que espeita à absoção de distúbios elécticos quando o sistema se enconta ligado à linha eléctica de tansmissão, potegendo assim a estação de telecomunicações Altenativas Possíveis de Podução Petende-se agoa sintetiza as possíveis altenativas de abastecimento enegético à nossa estação emota de telecomunicações. Combinaam-se assim os váios ecusos enegéticos identificados anteiomente de acodo com o descito na seguinte Tabela 3.5. As altenativas identificadas assumem sempe a existência de alguma edundância enegética, seja atavés do uso de bateias, Moto Diesel, ou linha eléctica, de foma a gaanti-se um fonecimento ininteupto de enegia à estação emota de telecomunicações. Mais, optou-se po não combina ecusos não enováveis com enováveis, uma vez que paa a aplicação em questão, e com base nos ecusos enegéticos identificados, o sistema de podução de enegia ou se baseia na linha eléctica e sua edundância enegética (Moto Diesel e/ou Bateias), ou é dieccionado no sentido de se um sistema enegéticamente autónomo com base nas enegias enováveis (fotovoltaica, eólica) e sua edundância (Bateias). 23

37 Obviamente que, e caso a linha de tansmissão eléctica esteja nas poximidades da nossa estação emota, pode-se-ia ainda pondea a sua utilização no sistema de enegias enováveis com objectivo de se eduzi, apenas e só, a capacidade do banco de bateias uma vez que este epesenta nomalmente a maio fatia do investimento (Altenativa 6). Tabela 3.5 Altenativas Possíveis de Podução de Enegia paa a Estação Remota Recusos Linha Moto Enegéticos Eléctica Diesel Fotovoltaica Eólica Bateias Altenativa 1 X X* Altenativa 2 X X* Altenativa 3 X X X* Altenativa 4 X X Altenativa 5 X X X Altenativa 6 X* : Utilização da Linha Eléctica com edução do Banco de Bateias 3.3 Potência a se Instalada na Estação Remota Paa detemina a potência a fonece à nossa estação emota de telecomunicações teemos de calcula a pacela de cada uma das potências a instala que constitui cada uma das altenativas acima identificadas (Tabela 3.5). Esta deteminação deveá segui um pocedimento iteativo paa que as estimativas de podução se apoximem cada vez mais dos valoes do consumo. Como anteiomente mencionado, a quantidade de enegia a fonece ao nosso sistema deveá se, no mínimo, igual à soma da enegia total consumida, com possíveis pedas que se ião veifica no sistema de amazenamento, convesão (AC-DC-AC) e tanspote. No caso do sistema de amazenamento, este deveá actua apenas em casos pontuais quando a podução é infeio ao consumo, ou não há podução. É nomal assumiem-se paa as pedas de amazenamento valoes na odem dos 20%, associadas à dissipação, à auto-descaga, e outas, como mais adiante se veá, e paa as pedas de convesão um valo em tono dos 10%. Com os dados até agoa obtidos não é possível estima qual a pecentagem de enegia consumida pelo sistema (pedas) poveniente do sistema de podução (ou amazenamento), e sendo assim, assume-se po agoa um valo inicial paa as pedas totais de 30%. Só após uma análise detalhada do sistema de podução fotovoltaico, eólico, amazenamento, e espectiva definição da aquitectua, seá possível detemina com maio exactidão as pedas no sistema, e conclui-se se o valo assumido é excessivo, ou se pelo contáio é insuficiente. 24

38 A enegia a se poduzida anualmente pode então se estimada da seguinte foma: P od Cons ETotal = Ea (1 + 0,3) = 3,16 1,3 = 4, 12MWh Equação 3.2 Onde Cons Ea já havia sido deteminada na Tabela 3.3 Facilmente, e a pati deste valo, podemos taça o pefil da enegia consumida mensalmente uma vez que o consumo da caga é apoximadamente constante, tal como ilusta a Figua 3.5. Nota que, as vaiações pesentes nesta figua devem-se exclusivamente ao númeo de dias de cada mês que vaia ao longo do ano. Enegia Total sem Amazenamento Consumida com 30% de Pedas no Sistema Enegia Média Mensal [kwh] ,16 349,16 349,16 349,16349,16 349,16 349, ,90 337,90 337,90 337, , Janeio Feveeio Maço Abil Maio Junho Julho Agosto Setembo Outubo Novembo Dezembo Figua 3.5 Enegia Consumida Mensalmente na Estação com 30% de Pedas no Sistema A estimativa da enegia anual poduzida po cada fonte pode se obtida ecoendo à Equação 3.1, onde a potência nominal a instala depende apenas da sua utilização anual e da enegia necessáia a fonece. De foma a calcula as espectivas potências nominais ( de cada fonte ( Eol a Fotov a P, P ) e utilizações anuais Eol n Fotov p h, h ), segui-se-á uma análise detalhada da podução de enegia fotovoltaica, enegia eólica e espectivo dimensionamento do sistema. A melho combinação (altenativa) dos efeidos ecusos da Tabela 3.5 pode se deteminada com base na viabilidade económica, tema também a aboda. 25

39 4. Podução de Enegia Fotovoltaica A podução anual de enegia fotovoltaica depende fundamentalmente da disponibilidade enegética do ecuso utilizado, neste caso a adiação sola, que se pode taduzi na utilização anual da potência instalada e das caacteísticas técnicas do sistema de convesão, neste caso, dos painéis fotovoltaicos utilizados. Podem ainda associa-se ao sistema de convesão um sistema de seguimento da posição do sol (tacke s) paa optimiza a quantidade de adiação sola que incide nos painéis ao longo do dia. 4.1 Utilização de Tacke s A fixação dos painéis fotovoltaicos pode se feita atavés de estutuas fixas, ou Tacke s. No caso das estutuas fixas a inclinação deve se tal que maximize a adiação sola, que nomalmente é igual à latitude da localização da instalação do pojecto, ou atavés de Tackes, sistemas estes electomecânicos que seguem o movimento diáio do Sol, em tono de um ou dos dois eixos, mantendo o ângulo de incidência da adiação no painel o mais póximo de 90º, maximizando assim a enegia poduzida. Actualmente, os fabicantes destes equipamentos indicam um aumento de 20 a 25% paa sistemas de um eixo e de 35 a 45% paa sistemas de dois eixos, dependendo de factoes como a latitude da instalação do pojecto, quanto mais póximo do equado meno é o aumento da enegia conseguida [6]. No pojecto em questão, dada a eduzida potência necessáia paa alimenta o nosso sistema (Tabela 3.3) e queendo evita-se a manutenção dos sistemas electomecânicos, de ceto o investimento não justifica a implementação de tackes, não sendo potanto consideados no pojecto. 4.2 Selecção de Painéis Fotovoltaicos Fundamentalmente, os citéios que condicionam a escolha dos painéis fotovoltaicos são: O custo dos painéis po Watt pico, w p, que iá influencia de modo significativo o investimento inicial do pojecto. O endimento dos painéis, quanto maio fo este mais enegia é poduzida paa a mesma áea de painel. Os de silício mono-cistalino são os que apesentam maio endimento. Paa o nosso caso da estação emota de telecomunicações, as dimensões e o númeo de painéis queem-se também eduzidos e compactos uma vez que a localização destas estações está nomalmente em zonas altas onde o vento fote é pedominante, e o espaço esevado à sua instalação é nomalmente eduzido. A tensão e a potência a fonece ao nosso sistema deve também se tomada em consideação na escolha dos painéis, uma vez que a combinação em seie/paalelo dos mesmos define a tensão e potência a se entegue ao sistema (nomalmente a Chage Contolles). 26

40 Tendo em consideação os factoes acima efeidos e ecoendo ao fabicante LoboSola [10], este sugee a utilização de módulos SolaWold po seem uma altenativa cedível e económica a sistemas de podução baseados em combustíveis fósseis. Mais ainda, este sugee seem os indicados paa aplicações de telecomunicações isoladas (off-gid: ede eléctica isolada), e sendo assim, estes podeão se os painéis fotovoltaicos a utiliza no pojecto em questão. Adicionalmente, considee-se ainda paa a nossa análise uma outa gama disponibilizada pelo mesmo fabicante mas esta com uma potência máxima (pico) supeio, designados po Renewis. Relativamente ao módulo SolaWold, o fabicante não disponibiliza de uma foma diecta qual o seu endimento, sendo que e atavés das outas caacteísticas disponibilizadas facilmente a podemos deduzi de acodo com a seguinte equação 11 : η = G P p A Equação 4.1 Na Tabela 4.1 indicam-se assim as caacteísticas pincipais do painel da gama SolaWold (SW 80 mono), e 2 modelos da gama Renewis (PV 155-M e PV 185-M), os quais seão consideados na concepção física da alimentação da nossa estação emota de telecomunicações. Relativamente à escolha dos modelos Renewis, optou-se po escolhe o de meno, e de maio endimento. Tabela 4.1 Caacteísticas Técnicas dos Painéis Fotovoltaicos SolaWold e Renewis Caacteísticas Técnicas (STC) SW 80 mono PV 155-M PV 185-M p Potência Máxima, pico ( P max ) Coente máxima ( I max ) 4,58 4,5 5,2 Tensão máxima ( V max ) 17,5 34,6 35,8 Coente de cuto-cicuito ( I cc ) 5 5,35 5,48 Tensão de cicuito abeto ( I ca ) 21,9 44,2 44,8 Tempeatua nomal de funcionamento(noct) 45,5 45,5 45,5 Nº de células em séie ( I SM ) Compimento [mm] Lagua [mm] Rendimento 12,7% 11,7% 14,0% Peço Apoximado w p 4,38 4,19 4,32 G = 1000 W m

41 4.3 Utilização Anual da Potência e Estimativa do Númeo de Painéis Na Figua 4.1, obseva-se que a estimativa da utilização anual da potência fotovoltaica em São Pedo Velho, concelho de Miandela, Distito de Bagança, onde ficaá localizada a nossa estação emota de telecomunicações (ve secção 3.1.2), é de apoximadamente Fotov h a =1480h paa painéis fixos colocados com inclinação a Sul igual à latitude. Este valo epesenta assim o potencial fotovoltaico que de uma foma geal aumenta quanto meno fo a latitude. Figua 4.1 Índice kwh/wp ( ha expessa em kh) em Sistemas Fotovoltaicos Sendo assim, a enegia a se poduzida anualmente pela pacela fotovoltaica, admitindo po agoa a Altenativa 1 da Tabela 3.5, e ecoendo ao esultado da Equação 3.2 seá dada po: Fotov P od Ea = ETotal = 4, 12 MWh E potanto, a potência da pacela fotovoltaica a instala seá de: P E = h 4, Fotov Fotov a pico = = 2,78 2, 8 Fotov a 1480 kw 28

42 então de: O númeo de painéis fotovoltaicos estimados a utiliza, admitindo módulos SolaWold, é Fotov Ppico 2800 SW 80 mono : N paineis = Painel = = 35 P 80 pico Equação 4.2 Este esultado mosta que o númeo de painéis aumenta com a diminuição da utilização anual, e que esta é tanto meno quanto mais paa o note do Pais fica situada a nossa estação emota de telecomunicações. A escolha destes painéis paa a Altenativa 1 não é no entanto a mais indicada, uma vez que equeem demasiado espaço paa a sua instalação dado o elevado númeo de módulos exigidos deivado à sua eduzida potência máxima de pico (ve citéios na secção anteio). Paa o nosso caso devemos opta pela utilização dos painéis Renewis de potência máxima supeio, que paa os modelos seleccionados esulta na seguinte estimativa: Fotov Ppico 2800 PV155 M : N paineis = = = 18,1 18 Painel P 155 pico Equação 4.3 Fotov Ppico 2800 PV185 M : N paineis = = = 15,1 15 Painel P 185 pico Equação 4.4 De foma a caacteiza o sistema de amazenamento (Altenativa 1), gaantindo a disponibilidade pemanente da estação emota de telecomunicações, devemos calcula a potência média hoáia e a pati desta a enegia hoáia poduzida pelos painéis fotovoltaicos. Este cálculo é possível com base no modelo matemático da célula fotovoltaica seguidamente apesentado. Nota ainda que, podemos calcula a enegia fotovoltaica total anual ( E ) adicionando todas as enegias hoáias, e confontando-a com a enegia total a poduzi P ( E od = 4, MWh ). Total 12 Fotov a 4.4 Modelo Matemático da Célula Fotovoltaica O modelo aqui apesentado, conhecido como o modelo de um díodo e de 3 paâmetos (1D+3P), é já po si uma simplificação de outos modelos mais complexos mas que se apoxima muito dos valoes expeimentais, e sendo assim é dos mais utilizados [1]. 29

43 4.4.1 Desenvolvimento do Modelo 1D+3P A célula fotovoltaica pode se epesentada de foma simplificada atavés de um cicuito eléctico equivalente apesentado na Figua 4.2. Figua 4.2 Cicuito Eléctico Equivalente de uma Célula Fotovoltaica com Caga Z No cicuito, I S epesenta a coente eléctica geada pelo feixe de adiação luminosa ao atingi a supefície activa da célula (efeito fotovoltaico); esta coente unidieccional é constante paa uma dada adiação incidente. O díodo epesenta o funcionamento da junção p-n que ao lhe se aplicado uma tensão V (aos teminais da célula) é pecoido po uma coente intena unidieccional I D. A coente I D é dada po: onde: I D V mv = I 0 e T 1 Equação 4.5 I 0 : coente invesa máxima de satuação do díodo V : tensão aos teminais da célula m : facto de idealidade do díodo (díodo ideal: m = 1 ; díodo eal: m > 1) V T : designado po potencial témico V T = KT 23 K: constante de Boltzmann ( K = 1,38 x10 J / K ) o o T: tempeatua absoluta da célula em K ( 0 C = 273,16 K ) 19 q: caga eléctica do electão ( q = 1,6 x10 C ) q 12 ; Com base no cicuito eléctico equivalente facilmente se extai: V mv I = I = T 1 S I D I S I0 e Equação 4.6 = θ, obtém-se V T = 25, 7mV 12 o Paa T 298,16 K( = 25 C) 30

44 Duas impotantes caacteísticas das células fotovoltaicas são fonecidas pelos fabicantes, paa deteminadas condições de adiação incidente e tempeatua, estas são a coente de cuto-cicuito, I cc, e a tensão em vazio, V ca. Da equação anteio: Cuto Cicuito V = 0 I = 0 I = I = I D S cc Equação 4.7 Cicuito I = = + S Abeto I 0 Vca mvt ln 1 I 0 Equação 4.8 Sendo que a coente de cuto-cicuito, I cc, é o valo máximo da coente de caga igual à coente geada po efeito fotovoltaico. A tensão em vazio, aos teminais da célula. V ca, é o valo máximo da tensão As equações caacteísticas de cada célula fotovoltaica definem a cuva caacteística I-V. A Figua 4.3 epesenta assim duas dessas cuvas caacteísticas paa duas células com factoes de foma (m) difeentes. Nota ainda a edução de potência veificada na célula 2 (áea total paa a potência máxima). Figua 4.3 Cuva I-V de Duas Células Fotovoltaicas Difeentes Das equações anteioes é possível ainda extai a coente invesa de satuação, I 0, assim como a potência eléctica de saída, P, da célula fotovoltaica: I 0 = e I cc Vca mv T 1 Equação 4.9 V mv P = VI = V I T cc I0 e 1 Equação

45 Adicionalmente, deivando a potência em função da tensão e igualando a zeo, podemos extai a potência máxima, P max, esolvendo-a atavés de métodos iteativos (método de Gauss, ou de Newton): I cc V + 1 mv I e T 0 = V 1+ mv T Equação 4.11 seja, A solução desta equação é quando I max V = Vmax e a coespondente coente seá I max, ou Vmax mv = I T 1 cc I0 e Equação 4.12 O ponto de potência máxima é então: P = V I max max max Equação 4.13 As cuvas I-V e P-V da Figua 4.4 demonstam facilmente, de uma foma gáfica, o pocesso matemático descito no cálculo da potência máxima. Figua 4.4 Cuva I-V e P-V de Uma Célula Típica de Silício Cistalino, condições STC 13 V ca Consideando que os fabicantes disponibilizam sempe os valoes de efeência,, I, V I e P, valoes estes extaídos a uma tempeatua e adiação incidente de cc, max max max efeência (condições nominais de teste 13 ): θ = o 25 C T = 298,16 K G = 1000W m 2 13 Standad Test Conditions - STC 32

46 É conveniente assim deduzi um conjunto de equações que inclua esses valoes. Com base na Equação 4.6, Equação 4.7, Equação 4.8 e Equação 4.9 e mais algumas apoximações 14, chegamos ao seguinte esultado: I = I cc 1 e V Vca mvt Equação 4.14 Aplicando a Equação 4.6 nos pontos de cicuito abeto, cuto-cicuito e potência máxima é possível extai o facto de foma (m), I max = I cc I o e Vca mvt 1 m = V T Vmax Vca I ln 1 I max cc Equação 4.15 Este facto, neste modelo, assume-se constante e epesenta a caacteística da célula fotovoltaica em questão, que vaia de fabicante paa fabicante. Uma vez obtido o facto de foma que facilmente se calcula com base nos valoes de efeência disponibilizados pelos fabicantes, podemos chega à coente invesa de satuação nas condições de efeência com base na Equação 4.9, I 0 = e ca T V I mv cc 1 Equação 4.16 A coente e a tensão geada pela célula dependem não só das caacteísticas do painel, mas também da tempeatua ambiente e da adiação sola. Resultados expeimentais mostam que vaiações na tempeatua da célula, paa uma dada adiação constante, está fotemente ligada a vaiações de tensão na célula, em paticula paa o valo da tensão em cicuito abeto, como é visível na Figua 4.5, Figua 4.5 Vaiação da Cuva I-V com a Tempeatua Vca V 14 mvt mvt Consideando que e 1 ; e 1 33

47 Veifica-se também que a coente de cicuito-abeto vaia com a tempeatua mas de uma foma pouco penunciada, pelo que no modelo simplificado podemos admiti que a tempeatua apenas tem influência sobe o valo V ca nas condições de efeência, dada pela expessão 15 :, diectamente ligado à coente invesa de satuação, I 0 = I 0 T T 3 e ε 1 1, m VT V T, ; m = m / N SM Equação 4.17 Vaiando agoa a adiação e mantendo a tempeatua, as alteações significativas veificam-se na coente de cuto-cicuito, em contadição ao caso anteio, como é visível na Figua 4.6. Figua 4.6 Vaiação da Cuva I-V com a Radiação Podemos assim esceve de uma foma simplificada, I G = G I max Equação 4.18 O valo da tempeatua mencionado na Equação 4.17 efee-se à tempeatua da célula que na fase de pojecto não está disponível, pode no entanto se estimada com base na tempeatua nomal de funcionamento da célula (NOCT 16 ), tempeatua ambiente e adiação incidente na célula: G θ c = θ a + Equação 4.19 Nota potanto que, o modelo aqui desenvolvido se baseia num díodo cujo o cálculo dos 3 paâmetos se faz de uma foma apoximada admitindo-se o seguinte: 1) m: admite-se constante ( NOCT 20) 800 2) I cc : admite-se que só vaia com a adiação 3) I 0 : admite-se que só vaia com a tempeatua 15 ε hiato do silício: ε = 1,12 ev ; N SM é o númeo de células ligadas em séie 16 NOCT Nomal Opeating Cell Tempeatue, definida como 34 θ = 20 o C e G 800W m a = 2

48 4.4.2 Aplicação do Modelo 1D+3P a Módulos/Painéis Fotovoltaicos A aplicação do modelo matemático simplificado da célula fotovoltaica (1D+3P) deve agoa se estendido aos módulos fotovoltaicos compostos po divesas células, e po sua vez a painéis constituídos po divesos módulos. A potência máxima de uma única célula fotovoltaica não excede 2W, o que é manifestamente insuficiente paa a maioia das aplicações. Po este motivo, as células são agupadas em séie, N SM, e em paalelo, PM, fomando módulos. Natualmente, a associação em séie de células esultaá num aumento popocional de tensão, a associação em paalelo num aumento popocional de coente. O modelo anteio descito paa uma célula fotovoltaica pode aplica-se agoa ao módulo se o assumi-mos como uma célula fotovoltaica equivalente. Sendo assim, da secção anteio facilmente podemos deduzi o seguinte método de cálculo consideando que os fabicantes disponibilizam sempe os valoes de efeência, V Paâmetos constantes N ca, I cc, V, max I max e P max m = Vmax Vca I V T ln 1 Icc max m m, = NSM Equação 4.20 Paâmetos que dependem da adiação I G = G I max Equação 4.21 Paâmetos que dependem da tempeatua (de uma foma cúbica) I 0 = I 0 T T 3 e ε 1 1, m V T VT Equação 4.22 Coente em função da tensão V mv I = I = T 1 S I D I S I0 e Equação 4.23 Tensão máxima I cc V + 1 mv I e T 0 = V 1+ mv T Equação 4.24 Coente máxima I max Vca = mvt I 1 cc I o e Equação

49 Tipicamente, um módulo pode se constituído po ceca de 33 a 36 células ligadas em séie, poque é comum have necessidade de caega bateias de 12 V. Os módulos podem também se associados em séie e paalelo paa obte mais potência, fomando painéis Cálculo Simplificado da Enegia em Módulos/Painéis Fotovoltaicos No modelo anteio ecoeu-se a métodos iteativos paa calcula a potência máxima do painel paa uma deteminada adiação e tempeatua. Podemos no entanto simplifica a expessão de cálculo da potência máxima admitindo mais algumas apoximações e assim utiliza apenas expessões algébicas, não sendo necessáio potanto o cálculo da equação não linea. Uma vez que a I cc depende fundamentalmente da adiação, admitamos então que a coente máxima segue a mesma vaiação, o que esulta: I max = G I G max Equação 4.26 Po outo lado, a tensão máxima, V max, pode se deteminada tendo em conta a dependência das coentes de cuto-cicuito e máxima da adiação da coente invesa de satuação com a tempeatua. Resulta assim: V max = mv T G G ln T I0 T ( I I ) cc 3 e max ε 1 1, m V T VT Equação 4.27 A potência máxima é então obtida atavés da equação: P = V I max max max Equação 4.28 Com estas novas simplificações depaamos com um eo infeio a 2% quando compaados com a esolução da equação não linea, o que tona este método pefeencial no cálculo da potência uma vez que a obtemos de uma foma diecta, sem a necessidade potanto de utiliza métodos iteativos, e com um eo associado fancamente eduzido. Na pática, o ponto de funcionamento de um módulo fotovoltaica é sempe na sua potência máxima, P max, isto é conseguido à custa de se contola o valo da tensão à saída do módulo atavés de um equipamento exteno designado po MPPT (Maximum Powe Point Tacke), que de acodo com as condições ambientais de tempeatua e adiação impostas ajusta a efeida tensão. Adicionalmente, e como os sistemas fotovoltaicos geam sempe enegia contínua, há que dota o sistema nomalmente de um inveso paa o podemos liga a ede eléctica pública. Paa o caso paticula da nossa estação emota de telecomunicações este inveso pode se dispensando uma vez que o sistema é alimentado po coente contínua (-48 V ± 10%). 36

50 A Figua 4.7 desceve exactamente o que foi mencionado elativamente ao sistema completo fotovoltaico ligado à ede: Figua 4.7 Esquema de um Geado Fotovoltaico Ligado à Rede Podemos assim esceve paa o cálculo da enegia poduzida à saída dos módulos: ηinv n E = η P inv i=1 max ( G, T ) i t é o endimento do MPPT+inveso i Equação 4.29 Consideando um endimento do MPPT+inveso póximo de 1, podemos calcula a enegia fotovoltaica total (média hoáia) a pati da potência média hoáia e do númeo de painéis associados. h h ETotal = E fot N paineis [ Wh] E h = P h med 1h Equação 4.30 mês. A enegia mensal obtém-se, somando o valo da enegia hoáia de todas as hoas do Estimativa Rápida da Enegia Poduzida em Módulos Fotovoltaicos Uma estimativa ápida da enegia anual desenvolve-se despezando a influência da tempeatua e consideando que o valo médio da potência máxima anual é diectamente popocional à adiação média incidente anualmente. G G med P max Donde esulta a seguinte enegia poduzida anualmente, P max = Equação 4.31 E N a = ηinv 8760 Pmax paineis Equação 4.32 em que G med é a adiação incidente média anual e N paineis o númeo e painéis em uso. Nota que o eo aqui intoduzido pode apoxima-se dos 20%, mas como uma pimeia estimativa é de gande utilidade, não dispensando obviamente o cálculo mais detalhado após pimeia avaliação. 37

51 4.5 Estimativa da Radiação Sola Média e Tempeatua Mensal Como efeido anteiomente, devemos calcula a enegia média hoáia poduzida pelos painéis fotovoltaicos de foma a dimensiona coectamente o nosso sistema. Recoendo à base de dados RetSceen [17], esta disponibiliza dados de adiação e tempeatua média mensal em localizações póximas das que pocuamos (disponíveis po distito), faemos assim uso das mesmas no cálculo da enegia poduzida pelos painéis fotovoltaicos. Os dados disponibilizados são no entanto mensais, desejando-se sempe uma análise hoáia da enegia poduzida paa um coecto dimensionamento do sistema. Uma vez que a nossa caga (estação de telecomunicações) exige uma potência elativamente constante ao longo de todo o ano, e que aquando o dimensionamento do sistema de amazenamento pocuaemos uma autonomia de váios dias, a análise baseada no pefil mensal fica assim pecavida de não satisfaze as necessidades hoáias do consumo da estação emota. Além de que, paa efeito de análise de esultados a utilização de valoes hoáios é em tudo semelhante à utilização de valoes mensais, com a difeença que a quantidade de dados pocessados no caso hoáio é substancialmente supeio face aos mensais. A Tabela 4.2 dá-nos assim a estimativa da adiação sola e tempeatua média mensais em cada um dos 4 distitos, Bagança, Viana do Castelo, Poto e Vila Real (ve Dimensionamento_Enegético.xls em anexo secção 9.2.1). Tabela 4.2 Estimativa da Radiação e Tempeatua Média Mensais nas 4 Localizações Radiação Sola [kwh/m2/dia] / Tempeatua [ºC] Mês Bagança Viana do Castelo Poto Vila Real Janeio 1,64 4,5 1,88 9,2 1,70 9,3 1,82 5,1 Feveeio 2,95 5,9 2,76 10,3 2,68 10,1 2,69 7,3 Maço 3,66 8,0 4,08 12,3 4,22 11,5 3,93 9,6 Abil 5,78 10,0 5,39 13,3 5,63 12,9 4,81 11,0 Maio 6,73 13,4 6,36 15,8 6,46 15,1 5,79 14,2 Junho 7,75 17,7 7,10 18,8 7,01 18,1 6,95 18,3 Julho 8,37 21,1 7,02 20,5 7,33 19,9 7,11 21,5 Agosto 6,97 20,8 6,21 20,1 6,45 19,8 6,25 21,0 Setembo 5,22 18,3 4,75 18,9 4,73 19,0 4,65 19,5 Outubo 3,71 13,1 3,10 15,6 3,41 16,2 2,85 13,7 Novembo 2,52 8,0 2,03 12,4 2,29 12,3 1,92 9,4 Dezembo 1,47 5,0 1,56 10,3 1,99 9,9 1,53 6,9 Novamente, o desejável paa um coecto dimensionamento do sistema é a utilização de valoes climáticos hoáios lidos nos pópios locais (Tabela 3.4), mas estes infelizmente não estão disponíveis (pelo menos de uma foma gatuita) e como tal faemos uso dos valoes mensais nos efeidos distitos. 38

52 Com base nos valoes médios mensais da adiação e tempeatua duante o ano e nas caacteísticas técnicas dos módulos fotovoltaicos seleccionados (SolaWold ou Renewis), é possível calcula o valo mensal e anual da enegia fotovoltaica poduzida utilizando o modelo matemático que epesenta a célula fotovoltaica (secção 4.4). 4.6 Enegia Mensal e Anual Poduzida e Númeo Exacto de Painéis A enegia média mensal (e anual) pemitiá dimensiona o banco de bateias necessáio (Altenativa 1 da Tabela 3.5) paa gaanti o funcionamento ininteupto do sistema, assim como a deteminação do númeo exacto de painéis fotovoltaicos. O cálculo basea-se-á na estimativa ápida do modelo (eo apoximadamente de 20%) apenas como uma pimeia apoximação do balanço de enegias, e posteiomente utilizando o cálculo simplificado (eo apoximadamente de 2%) a deteminação do valo médio mensal e total da enegia. Todos estes cálculos encontam-se pesente no ficheio Dimensionamento_Enegético.xls (em anexo secção 9.2.1) paa as 4 localizações das estações emotas de telecomunicações (Tabela 3.4), e paa os espectivos painéis fotovoltaicos seleccionados (SolaWold, Renewis) Estação Remota Localizada em São Pedo Velho, Miandela Paa esta localização (São Pedo Velho, Miandela) e pecoendo os divesos modelos dos painéis fotovoltaicos, esulta: Tabela 4.3 Estimativa Rápida do Modelo (Eo 20%) em São Pedo Velho, Miandela Painéis Potência Máx Média Anual[W] Enegia Média Anual [MWh] 35 x SW 80 mono 35 x 15,77 = 551,93 4,83 MWh > 18 x PV 155-M 18 x 30,55 = 549,96 4,82 MWh > 15 x PV 185-M 15 x 36,47 = 547,00 4,79 MWh > E P od Total = 4, 12 MWh Esta estimativa diz-nos que o númeo de painéis popostos (secção 4.3), de acodo com cada modelo, satisfaz as necessidades enegéticas da estação de telecomunicações localizada em Miandela (no que espeita a enegia média anual). Avançando agoa paa o cálculo simplificado, Tabela 4.4 Cálculo Simplificado do Modelo (Eo 2%) em São Pedo Velho, Miandela Painéis Poduzida-Consumida [kwh] Enegia Média Anual [MWh] 35 x SW 80 mono -71,792 4,04 MWh < 18 x PV 155-M -400,87 3,71 MWh < 15 x PV 185-M 14,09 4,13 MWh > E P od Total = 4, 12 MWh 39

53 Resulta que apenas o modelo PV 185-M veifica a estimativa inicial do númeo de painéis necessáios, nos estantes casos há um clao défice enegético, como consequência teemos de incemental o númeo de painéis até que a enegia anual poduzida satisfaça as necessidades enegéticas anuais da estação emota, ficando, Tabela 4.5 Deteminação Exacta do Númeo Painéis em São Pedo Velho, Miandela Painéis Poduzida-Consumida [kwh] Enegia Média Anual [MWh] 36 x SW 80 mono 43,62 4,16 MWh > 20 x PV 155-M 11,38 4,12 MWh = 15 x PV 185-M 14,09 4,13 MWh > E P od Total = 4, 12 MWh De acodo com estes esultados a nossa escolha deve ecai num dos modelos Renewis (PV 155-M ou PV 185-M), uma vez que paa este tipo de aplicação não é desejável um elevado númeo de módulos pois equeem demasiado espaço paa a sua instalação, nomalmente não disponível junto às estações de telecomunicações. Dento desta gama, se consideamos o citéio custo po Watt pico ( ) e os esultados da Tabela 4.1, a opção leva-nos-ia à w p escolha povável do PV 155-M po apesenta um meno custo po Watt pico, mas essa decisão só deveá se tomada aquando o estudo da viabilidade económica, a aboda mais adiante. Admitindo po agoa o modelo PV 155-M po nos paece o mais equilibado de acodo com os citéios mencionados, a Figua 4.8 desceve assim a enegia média mensal poduzida po este conjunto de painéis (20 x PV 155-M). Podução Fotovoltaica (Enegia Total) Enegia Média Mensal [kwh] ,47 92,92 248,31 415,79 676,21 594,70 544,53 516,98 372,48 253,97 152,95 81,13 Janeio Feveeio Maço Abil Maio Junho Julho Agosto Setembo Outubo Novembo Dezembo Figua 4.8 Enegia Média Mensal Poduzida po 20 Painéis Fotovoltaicos PV 155-M 40

54 4.6.2 Outas Localizações da Estação Remota de Telecomunicações Continuando a admiti o uso dos painéis PV 155-M, gaantido novamente que não há défice enegético anual atavés da coecção ao númeo de painéis, a enegia média mensal e anual poduzida em cada uma das localizações é dada na seguinte Tabela 4.6. Tabela 4.6 Enegia Mensal e Anual nas Divesas Localizações da Estação Remota PV 155-M Mês Enegia Média Mensal Poduzida [kwh] São Pedo Velho São Mamede Esposade Vilainho das Funas => 20 Painéis => 23 Painéis => 22 Painéis => 24 Painéis Janeio 92,92 127,03 107,28 126,89 Feveeio 172,47 183,84 169,63 185,34 Maço 248,31 327,10 325,47 325,22 Abil 415,79 442,09 445,10 401,55 Maio 516,98 557,93 543,10 519,66 Junho 594,70 617,68 581,40 628,01 Julho 676,21 631,27 634,95 669,65 Agosto 544,53 545,57 545,65 574,35 Setembo 372,48 382,97 364,52 389,86 Outubo 253,97 235,73 253,24 221,64 Novembo 152,95 135,51 150,31 131,67 Dezembo 81,13 100,87 130,41 102,48 Total [MWh] 4,12 MWh 4,29 MWh 4,25 MWh 4,28 MWh Nota que, paa o caso da localização de Vilainho das Funas (Baga/Vila Real) há a necessidade de 4 painéis adicionais em compaação a São Pedo Velho (Miandela), uma vez que aquela localização apesenta um potencial sola anual meno peante as outas localizações, ou seja, meno utilização anual da potência instalada. Das médias mensais da enegia conclui-se também que o mês mais desfavoável paa a podução de enegia fotovoltaica é o mês de Dezembo, excepto paa o caso da localização de Esposade (Poto) em que o mês mais desfavoável coesponde a Janeio. 4.7 Balanço Mensal Enegético na Estação de São Pedo Velho, Miandela Atavés da compaação ente os valoes de enegia necessáia paa satisfaze as exigências de consumo e enegia disponibilizada pelas unidades de podução, seá possível detemina quais os equisitos que caacteizam o sistema de amazenamento de foma a gaanti a disponibilidade pemanente do sistema em estudo. 41

55 A Figua 4.9 desceve assim o balanço enegético ente a enegia necessáia (consumida) e a enegia disponibilizada (poduzida) utilizando 20 painéis PV 155-M. É visível que, emboa do ponto de vista anual haja equilíbio de enegia (ente a poduzida e consumida), mensalmente, ente Outubo e Maço, a enegia poduzida está sempe em défice peante a consumida. Esta situação teá de se esolvida, que paa Altenativa 1 (da Tabela 3.5) passaá po um coecto dimensionamento do banco de bateias, e possivelmente po um incemento no númeo de Painéis Fotovoltaicos. Enegia Poduzida/Consumida sem Amazenamento 800 Enegia Média Mensal [kwh] Janeio Feveeio Maço Abil Maio Junho Julho Agosto Setembo Outubo Novembo Dezembo Enegia Poduzida Consumida com 30% de Pedas no Sistema Balanço Enegético Figua 4.9 Enegia Fotovoltaica Necessáia/Disponibilizada em Miandela 30% Pedas 42

56 5. Podução de Enegia Eólica A podução anual da enegia eólica depende essencialmente do potencial enegético do vento (que se eflecte no valo de utilização anual da potência instalada - caacteísticas técnicas do conveso eólico utilizado [2]. Eol h a ) e das 5.1 Utilização Anual da Potência Eólica A Figua 5.1 apesenta a estimativa da utilização anual equivalente da potência instalada paa um geado de 2 MW instalado a 80m de altua em Potugal Continental. Com base nestes esultados é possível extai uma pimeia estimativa inicial da potência da tubina a utiliza no pojecto em questão, obviamente, no decoe do planeamento detalhado identifica-se-á com maio exactidão as suas caacteísticas, seja na potência, ou mesmo no valo de utilização anual equivalente da potência instalada. Sendo assim, a potência da tubina (aeogeado) a utiliza neste pojecto pode se estimada tendo como efeência o valo da utilização anual da potência equivalente indicada na Figua 5.1, que na zona de São Pedo Velho (Miandela) é de apoximadamente 2200h. Figua 5.1 Utilização Anual Equiv. da Potência Instalada paa um Geado de 2MW 43

57 5.2 Selecção da Tubina e Estimativa da Enegia Eólica Uma vez estimada a utilização anual de efeência da potência eólica, pocede-se-á à deteminação do modelo e potência da tubina a instala. Caso esta seja a única fonte de enegia consideada (Altenativa 2 da Tabela 3.5), e com base na utilização anual da potência equivalente atás deteminada, paa satisfaze o consumo anual da estação emota de telecomunicações a tubina eólica teia que apesenta, no mínimo, a seguinte potência nominal: P od Eol P od Ea = ETotal = 4, 12 MWh 17 Eol Min ETotal 4, => Pn = = = 1,87 1, 9kW Eol h 2200 a A decisão aceca da potência da tubina a instala teá que te também em conta a ofeta disponibilizada pelos fabicantes de tubinas e a elação custo/potência nominal. Das tubinas pesquisadas concluiu-se que paa potências até 20kW existe uma gande divesidade de ofetas, no entanto, o fabicante Southwest Windpowe apesenta popostas mais adequadas do ponto de vista do leque de vaiedades de acodo com a aplicação. Este sugee assim, paa aplicações emotas de telecomunicações, um dos seguintes 4 modelos: Ai Industial, Whispe 100/200 e Whispe 500. Na Tabela 5.1 indicam-se as caacteísticas pincipais das quato tubinas. Tabela 5.1 Caacteísticas Técnicas Pincipais das Quato Tubinas Windpowe Caacteísticas das Tubinas Ai Whispe Industial Whispe 500 Potência Nominal [kw] 0,4 0,9 1 3 Podução Nominal (Rated Wind Speed) [m/s] 12,5 12,5 11,6 10,5 Diâmeto [m] 1,15 2,1 2,7 4,5 Início de Podução (Cut-In Wind Speed) [m/s] Fim de Podução (Cut-Out Wind Speed) [m/s] Limite do System (Suvival Wind Speed) [m/s] 2,7 3,4 3,1 3,4 None None None None Peço Apoximado w p 1,75 1,44 1,6 1,6 17 Recoendo ao esultado da Equação

58 Uma vez que o modelo Whispe 100 se enquada numa boa elação custo potência ( w p =1,44), e que segundo o fabicante é possível associa até 3 tubinas desta classe utilizando o mesmo Contolle 18, atingindo assim uma potência nominal de gupo de apoximadamente 0,9kWx3=2,7kW e que está acima da potência nominal mínima calculada de 1,9kW, vamos po agoa assumi-la como a tubina ideal paa o nosso pojecto. Esta tubina tem um início de podução paa velocidades do vento acima dos 3,4 m/s, funcionando mesmo assim com ventos muito modeados. Obviamente, a podução da sua potência máxima (nominal), 0,9kW, só se veifica quando esta está submetida a ventos na odem dos 12,5 m/s, o que apenas pontualmente se veifica. Com base na enegia anual poduzida, paa uma dada localização (admitamos São Pedo Velho, Miandela), é que seá possível avalia se a tubina em questão satisfaz ou não as necessidades enegéticas da nossa estação emota de telecomunicações. Numa estimativa inicial a enegia poduzida anualmente po tês Whispe 100 instaladas em Miandela é de, E Eol P Eol n = 3 0,9kW = 2, 7kW Eol P od n = 2,7kW 2200h = 5, 94MWh >> Ea = ETotal = 4, 12MWh Donde se conclui desta pimeia estimativa que a enegia geada anualmente po 3 tubinas Whispe 100, em Miandela, é suficiente paa satisfaze as necessidades enegéticas da estação, isto obviamente admitindo a existência de um banco de bateias. Pode-se-ia ainda considea a hipótese de se utilizaem duas Whispe 200 que poduzem 4,4 MWh, satisfazendo assim as necessidades enegéticas anuais com apenas 2 tubinas. No entanto, esta epesenta um maio custo po Watt pico (1,6), e como se veá adiante numa análise enegética mensal, meses de meno podução de enegia eólica teão de se colmatados com um aumento da potência eólica, e consequentemente um aumento no númeo de tubinas. Sendo que, é ainda pematuo duvidamos da tubina Whispe 100 po agoa seleccionada. Estando agoa disponíveis dados efeentes às caacteísticas técnicas da tubina a utiliza (Whispe 100 com a sua cuva de potência), pode ecoe-se a um método mais peciso paa peve a enegia anual poduzida, conhecido como Modelo de Vento Quase-Estacionáio. No entanto, e antes de avançamos paa o efeido modelo, é possível ainda obte uma estimativa melhoada da enegia poduzida po um geado eólico genéico, patindo simplesmente do conhecimento do pefil de ventos no local (paâmetos de Weibull, c e k), e de algumas caacteísticas da tubina ( u 0, u N, umax, PN ). Nota que, a estimativa anteio apenas se baseou na utilização anual da enegia eólica do local e da potência nominal da tubina candidata, sendo potanto muito menos pecisa que a estimativa ápida apesentada seguidamente. 18 Em que o ectificado se enconta incopoado 45

59 5.3 Estimativa Rápida da Enegia Poduzida po um Geado Genéico Este método é baseado no conhecimento da função densidade de pobabilidade de Weibull que caacteiza o pefil de ventos do local (com base nos paâmetos c e k) e no estabelecimento de um modelo da vaiação da potência de saída do aeogeado, P e, em função da velocidade do vento, u, que possa se aplicado, com genealidade, a qualque sistema eólico [3]. A pate da caacteística eléctica do aeogeado que inteessa modela é, natualmente, a que coesponde às velocidades do vento compeendidas ente a velocidade de aanque, u 0, e a velocidade nominal, u N. O modelo mais simples de todos seia considea esta vaiação como sendo linea. No entanto, é melho adopta, à patida, um modelo um pouco mais sofisticado. Nestas cicunstâncias, vamos estabelece o modelo da potência eléctica de um geado eléctico de acodo com a seguinte equação: Pe Pe Pe Pe = 0 = a + bu = PN = 0 k u < u u u 0 N u u 0 u u u u max N max em que : a = P N b = P N u u k N k N k u0 u 1 u k N k 0 Equação 5.1 O modelo apesentado fonece assim uma epesentação azoável da caacteística eléctica de um geado eólico como é visível na Figua 5.2. Figua 5.2 Compaação das Cuvas de Potência Ente o Modelo e um Fabicante O cálculo da potência média hoáia obtém-se assim, pela potência eléctica dada pelo modelo acima efeido paa cada velocidade do vento, multiplicando pela facção do tempo dada pela função de densidade de pobabilidade de Weibull em que a velocidade ocoe. 46

60 P med f ( u) = = 0 P ( u) e k c u c f ( u) du k 1 e k u c Equação 5.2 Efectuando as integações e manipulações espectivas, esulta: P med u k 0 c e = PN k u N c e u k N c k u0 c e k u max c = P N FC Equação 5.3 Em que FC é designado como o facto de caga. A enegia anual poduzida calcula-se, como se sabe, atavés de: E = P 8760 = P h a med N a Equação 5.4 Com base neste modelo, e assumindo paa a zona de São Pedo Velho (Miandela) um pefil de ventos 19 caacteizado po k=2,04 e c=8m/s, e 3 tubinas Whispe 100 identificadas na secção anteio, com u 0 =3,4m/s, u N =12,5m/s, 3x0,9=2,7kW, esulta assim uma P med =884W, e uma E a =7,74MWh. u max =55m/s, e uma potência nominal, P N, de Veifica-se que este esultado está acima da estimativa calculada na secção anteio (5,94MWh), o que podeá significa que apenas 2 tubinas Whispe 100 são suficientes paa satisfaze as necessidades enegéticas anuais (4,12MWh), a confima potanto mais adiante no decoe da utilização do efeido modelo de vento quase-estacionáio. 5.4 Enegia Mensal e Anual Poduzida nas Estações Remotas Nas secções anteioes, deteminamos, a enegia anual eólica apoximada poduzida seguindo dois pocessos difeentes, atavés da utilização anual, e usando um modelo de um geado eólico genéico. No entanto, é possível ainda obte melho pecisão deste valo ecoendo ao modelo de vento Quase-Estacionáio, isto quando já conhecemos as caacteísticas técnicas da tubina a utiliza (Whispe 100 com a sua cuva de potência). Tal como na podução fotovoltaica, é necessáio ainda detemina a enegia mensal poduzida po este sistema eólico de foma a dimensiona-se o banco de bateias, em paticula se optamos pela Altenativa 2 da Tabela 3.5. Obviamente, esta análise deve-se-ia ealiza diaiamente paa um coecto dimensionamento do sistema, mas uma vez que não existem dados diáios disponíveis (pelo menos de uma foma gatuita), e po outo lado sabemos que a nossa caga é de potência elativamente constante (apoximadamente 360W - Tabela 3.3) e que aquando o dimensionamento do sistema de amazenamento pocuaemos uma autonomia de váios dias, utilizaemos apenas dados mensais extaídos da base de dados EOLOS [11] sem pejuízo de análise no dimensionamento do sistema. 19 Assumindo o mesmo pefil de vento de Outeio dos Fiéis (Figua 5.4) 47

61 5.4.1 Modelo de Vento Quase-Estacionáio Paa efectua uma pevisão da podução com base neste modelo é necessáio dispo de uma descição matemática da velocidade do vento e da caacteística eléctica do conveso eólico [2]. A velocidade do vento u (t) pode se caacteizada po um escoamento quaseestacionáio epesentado po uma velocidade média u (t), petubada pela tubulência u (t). Estas componentes podem se tatadas sepaadamente: u ( t) = u ( t) + u ( t) Equação 5.5 A tubina não eage a vaiações ápidas da velocidade do vento devido à sua inécia elevada (funciona como um filto passa-baixo), pelo que usualmente se simplifica o modelo do vento, despeza-se a componente coespondente à tubulência e considea-se um modelo quase-estacionáio em que apenas se tem em conta a velocidade média do vento. Nota no entanto que a componente flutuante do vento, designada po tubulência u (t), pode conte enegia significativa em fequências póximas das fequências de oscilação da estutua da tubina eólica, pelo que, há que te em atenção os esfoços a que a tubina iá se submetida. Assunto este, hoje em dia, já bem dominado pelos fabicantes que na sua concepção as pepaam paa condições extemas de vento. Nomalmente, e atavés do especto de enegia do vento, são facilmente identificadas as fequências associadas a um nível supeio de enegia pojectando-se a tubina paa funciona foa dessas fequências. Paa caacteiza a componente do vento u (t) (escoamento quase-estacionáio), ecoese a funções estatísticas que indicam a pobabilidade média do vento se igual a um deteminado valo (funções de densidade de pobabilidade). A descição pobabilística consideada mais adequada paa desceve o egime de ventos é a de Weibull: f ( u) = k a u a k 1 e k u a Equação 5.6 Em que k é um paâmeto de foma adimensional, a é um paâmeto de escala com as dimensões da velocidade, e u a velocidade média do vento. Na base de dados EOLOS [11] encontam-se os valoes mensais destes paâmetos efeentes à estação anemomética de Outeio dos Fiéis (Figua 5.5). A velocidade média anual do vento, u ma, calcula-se atavés de: u ma = u 0 f ( u ) du Equação

62 Na pática têm-se distibuições discetas da velocidade do vento em classes de 1 m/s, pelo que a velocidade média anual se calcula, de foma apoximada, po: u ma u = max u = 0 u f ( u ) Equação 5.8 A função Gamma 20 elaciona os paâmetos c e k da distibuição de Weibull com as caacteísticas da velocidade do vento, média anual e vaiância, atavés das elações seguintes: 1 u ma = c Γ 1 + k Equação 5.9 σ 2 c Γ 1 + Γ 1 + k k 2 2 = 2 1 Equação 5.10 No documento que caacteiza a tubina Whispe 100 [12] podemos enconta a cuva de potência (Figua 5.3) que caacteiza a convesão eólica-eléctica. Esta caacteística indica o valo da potência que é possível poduzi em função da velocidade, P e (u ). Figua 5.3 Cuva de Potência da Tubina Whispe 100 São indicadas também as velocidades a pati das quais a tubina enta em funcionamento (Cut-in Wind Speed = 3,4 m/s), atinge a potência nominal (Rated Wind Speed = 12,5 m/s), e o limite paa o qual a tubina enta em modo de sobevivência (Suvival Wind Speed=55m/s) uma vez que esta não se desliga (Cut-Out Wind Speed). 20 A função Gamma pode se obtida no Excel atavés do comando EXP(GAMMALN(x)) 49

63 Uma vez obtida a epesentação do pefil de ventos e a caacteística eléctica do geado, o valo espeado paa a enegia eléctica poduzida anualmente pela tubina obtém-se da seguinte foma: E a = 8760 u max u0 f ( u ) P ( u ) e Equação 5.11 Onde f (u ) é a função densidade de pobabilidade da velocidade média do vento, (u ) a caacteística eléctica do sistema aeogeado (tubina), u0 é a velocidade de Cut-in Wind Speed e umax a velocidade de Cut-Out Wind Speed, que paa este aeogeado coesponde à velocidade de Suvival Wind Speed. P e Estimativa do Pefil de Ventos nas Divesas Estações Recoendo à base de dados EOLOS (disponibilizada pelo INETI) [11], é possível consulta (ente outos) os dados efeentes a 2 estações anemométicas (IN_25,IN_27) a note do Pais, ente os distitos de Baga e Bagança. Se compaamos de uma foma acítica os dados destas duas estações anemométicas, notamos que a estação de Outeio dos Fiéis (IN_27) apesenta meno potencial eólico, e como tal a seleccionada como efeência de foma a evitamos um sub-dimensionamento do sistema. As Figua 5.4 e Figua 5.5 dão-nos assim a distibuição global de Weibull, e a distibuição mensal, na efeida estação. Figua 5.4 Pefil de Vento Global em Outeio dos Fiéis (IN_27) 50

64 Figua 5.5 Paâmetos Mensais de Weibull em Outeio dos Fiéis (IN_27) Além da inexistência de dados climáticos hoáios em qualque uma das estações anemométicas efeidas, não estão também disponíveis dados mensais nas localizações das nossas estações emotas de telecomunicações (Tabela 3.4). Vamos assim admiti, em qualque uma das estações emotas, exactamente as mesmas caacteísticas eólicas eflectidas na estação anemomética Outeio dos Fiéis (IN_27). Mais uma vez, é desejável paa um coecto dimensionamento do sistema a utilização de valoes climáticos hoáios lidos nos pópios locais, mas estes infelizmente não estão disponíveis (pelo menos de uma foma gatuita). Recoendo à função densidade de pobabilidade de Weibull (Equação 5.6) e admitindo a localização São Pedo Velho (Miandela), é possível assim obte paa cada mês do ano o espectivo pefil de ventos (que se admite igual a Outeio dos Fiéis). A Figua 5.6, geada paa o caso paticula do mês de Janeio (a=8m/s e k=2,10), epesenta assim, a pobabilidade de uma dada velocidade média (m/s) ocoe na efeida localização, e no efeido mês. Pefil de Ventos (Weibull) - Janeio São Pedo Velho 12% 10% Pobabilidade [%] 8% 6% 4% 2% 0% Velocidade do Vento [m/s] Figua 5.6 Pefil de Ventos no mês de Janeio em São Pedo Velho (Miandela) 51

65 5.4.3 Rugosidade do Solo (Lei de Pandlt) É já sabido, que quanto mais alto estive o aeogeado, meno seá o atito geado pela ugosidade do solo (obstáculos), azão pela qual existem cada vez mais paques eólicos em off-shoe (no ma). do solo, Recoendo assim à lei de Pandtl [2] é possível enta em consideação com a ugosidade u u ( t) = 0 ln k Equação 5.12 em que u (t) é a velocidade média do vento à altua z, u 0 a velocidade de atito, k a constante de Von Kaman (cujo valo é 0,4), e z 0 é conhecido po compimento caacteístico da ugosidade do solo (depende do tipo de teeno). z z 0 Esta lei taduz a vaiação da velocidade do vento com a altua, que se deve ao atito ente a supefície teeste e o vento que povoca a diminuição da velocidade do vento paa altuas mais baixas. A velocidade de atito é um valo que depende da ugosidade do solo, da velocidade do vento e das foças que se desenvolvem na atmosfea, pelo que é difícil de calcula. Paa ultapassa essa dificuldade e visto que o que se petende é obte o valo médio da velocidade do vento a uma deteminada altua a pati dos valoes a uma altua de efeência, usa-se com mais fequência a equação: z ln u ( z) = z0 u ( z ) z ln z0 Equação 5.13 Uma vez que petendemos instala a nossa tubina em zonas substancialmente elevadas (picos de seas), o que minimiza o atito dada a possível inexistência de obstáculos, optaemos po despeza este efeito. Até poque, paa este tipo de tubinas de pequenas dimensões é pática a sua instalação na pópia toe de telecomunicações, e estando assim a uma altua póxima das leituas do anemómeto (30 metos) Enegia Eólica Mensal e Anual Poduzida nas Estações Como no caso da podução fotovoltaica (secção 4), a enegia média mensal (e anual) pemitiá dimensiona o banco de bateias necessáio (Altenativa 2 da Tabela 3.5) paa gaanti o funcionamento ininteupto do sistema. Recoendo assim ao modelo de vento quaseestacionáio descito na secção 5.4.1, e fazendo uso das estimativas dos paâmetos de Weibull em Outeio dos Fiéis (que se assumem iguais em cada uma das 4 localizações), e das caacteísticas da tubina Whispe 100, é assim possível detemina a enegia média mensal poduzida, po exemplo, em São Pedo Velho (Miandela). 52

66 Paa o caso paticula da tubina Whispe 100, a Figua 5.7 etata a sua caacteística de potência em função da velocidade média do vento com intevalos coincidentes aos utilizados no pefil de ventos (Figua 5.6). Cuva de Potência Instantânea da Tubina Whispe 100 P otência [W] Velocidade da Tubina [m/s] Figua 5.7 Caacteística de Potência da Tubina Whispe 100 O somatóio do poduto desta caacteística (potência) com o pefil de ventos de um dado mês, paa cada velocidade média, dá-nos assim a enegia média, que multiplicada po sua vez pelo númeo de hoas do espectivo mês, esulta na enegia média mensal. A Figua 5.8 etata assim a enegia média mensal poduzida po 3 tubinas Whispe 100 em São Pedo Velho, calculada com base em cada pefil de vento mensal, onde o cálculo anual da enegia se faz simplesmente somando todas as contibuições mensais. Enegia Média Mensal [kwh] ,81 576,75 Janeio Feveeio Podução Eólica (Enegia Total) 877,98 710,59 433,67 468,27 474,39 423,91 651,97 445,15 Maço Abil Maio Junho Julho Agosto Setembo Outubo 679,56 Novembo Dezembo 523,06 Figua 5.8 Enegia Média Mensal Poduzida po 3 Tubinas Whispe 100, em Miandela 53

67 Aplicando o mesmo pocedimento a cada uma das localizações das estações emotas de telecomunicações, que se assumem iguais à localização Outeio dos Fiéis, gaantindo que não há défice enegético, ou seja, que a enegia média anual poduzida é sempe igual ou supeio à caga, E = 4, MWh, e continuando a faze uso das tubinas Whispe 100, obtemos o P od Total 12 seguinte esultado dado na Tabela 5.2. Tabela 5.2 Enegia Média Mensal Poduzida nas Divesas Estações (Whispe 100) Whispe 100 Mês Enegia Média Mensal [kwh] => 2 Tubinas Janeio 416,54 Feveeio 384,50 Maço 585,32 Abil 473,72 Maio 289,11 Junho 312,18 Julho 282,61 Agosto 316,26 Setembo 434,65 Outubo 296,76 Novembo 453,04 Dezembo 348,71 Total [MWh] 4,59 MWh A conclusão mais impotante é que, face à estimativa inicial com base na utilização anual (secção 5.2) que nos apontava paa a necessidade de 3 tubina Whispe 100 em São Pedo Velho, com este modelo (vento quase-estacionáio) concluímos que apenas 2 tubinas são necessáias paa satisfaze as necessidades enegéticas anuais da nossa estação emota. Obviamente, assumindo um pefil de vento exactamente igual ao de Outeio dos Fiéis. Nota ainda que aquando a utilização da estimativa ápida da enegia poduzida po um geado genéico (secção 5.3), o esultado já nos mostava uma enegia anual poduzida (7,74MWh) excessiva com a utilização de 3 tubinas Whispe 100, peante as necessidades enegéticas (4,12MWh). Das médias mensais da enegia pode-se ainda conclui que o mês mais desfavoável paa à podução de enegia eólica é o mês de Julho. Todos estes cálculos encontam-se pesente no ficheio Dimensionamento_Enegético.xls (em anexo secção 9.2.1) paa as 4 localizações das estações emotas de telecomunicações (Tabela 3.4), e paa as 4 tubinas sugeidas pelo fabicante Southwest Windpowe (secção 5.2) 54

68 5.5 Balanço Mensal Enegético na Estação de São Pedo Velho, Miandela Novamente, atavés da compaação ente os valoes de enegia necessáia paa satisfaze as exigências de consumo e enegia disponibilizada pelas unidades de podução, seá possível detemina quais os equisitos que caacteizam o sistema de amazenamento de foma a gaanti a disponibilidade pemanente do sistema em estudo. A Figua 5.9 desceve assim o balanço enegético ente a enegia necessáia (consumida) e a enegia disponibilizada (poduzida) utilizando 2 tubinas Whispe 100. É visível que, emboa do ponto de vista anual haja equilíbio de enegia (ente a poduzida e consumida), mensalmente, ente Maio e Agosto fundamentalmente, a enegia poduzida está sempe em défice peante a consumida. Esta situação teá de se esolvida, que paa a Altenativa 2 (da Tabela 3.5) passaá po um coecto dimensionamento do banco de bateias, e possivelmente po um incemento no númeo de tubinas. Enegia Poduzida/Consumida sem Amazenamento Enegia Média Mensal [kwh] Janeio Feveeio Maço Abil Maio Junho Julho Agosto Setembo Outubo Novembo Dezembo Enegia Poduzida Consumida com 30% de Pedas no Sistema Balanço Enegético Figua 5.9 Enegia Eólica Necessáia e Disponibilizada em Miandela com 30% de Pedas 55

69 6. Dimensionamento do Sistema Petende-se nesta secção avalia algumas soluções possíveis paa o amazenamento da enegia, optando-se pela melho. Seguindo-se o dimensionamento do sistema (em Off-Gid), que exige, uma claa definição da aquitectua de foma a seleccionamos quais os componentes a utiliza, e quais as suas caacteísticas. Descevem-se assim as possíveis aquitectuas, optando-se pela mais indicada, o que nos levaá à caacteização detalhada das pedas no sistema e espectivo dimensionamento do banco de bateias. Admitindo ainda o sistema híbido como a solução mais indicada, fa-se-á uma análise detalhada da enegia mensal poduzida face às necessidades enegéticas, ficando assim o sistema pefeitamente definido em todas as suas vetentes. 6.1 Sistemas de Amazenamento de Enegia Com objectivo de se gaanti o fonecimento ininteupto de enegia à nossa estação emota de telecomunicações, o amazenamento de enegia (bateias) é essencial, em paticula quando se faz uso de ecusos natuais e estes estão ausentes (eólico e sola). Além de que, são muito úteis na absoção de distúbios elécticos quando o sistema se enconta ligado à linha eléctica de tansmissão, potegendo assim a estação de telecomunicações. Seguem-se assim algumas soluções possíveis paa o amazenamento da enegia, e com base nas caacteísticas pincipais exigidas pelo nosso sistema, tais como, fiabilidade, eficácia, apidez de esposta, custo aceitável, opta-se pela melho solução [6] Enegia Potencial da Água Uma técnica paa o amazenamento da enegia é atavés da água, aumentando a sua enegia potencial quando a podução de enegia é supeio ao consumo (elevando-a paa um esevatóio colocado à cota h), e ecupeando posteiomente esta enegia quando a podução não satisfaz o consumo (atavés de uma tubina acoplada a um geado, mico-hídica). Obviamente, esta solução só é viável quando está disponível um cuso de água, que ecoendo à constução de uma albufeia é possível cia desníveis de água e extai posteiomente a sua enegia potencial. Paa o nosso pojecto está solução não é viável, nem do ponto de vista económico, nem ambiental, uma vez que os locais de instalação das estações emotas, em geal, encontam-se em zonas altas estando potanto distanciadas dos cusos de água. De salienta no entanto que, está solução é aplicada em algumas centais hidoelécticas uma vez que duante a noite o consumo é fancamente infeio ao ealizado duante o dia, e como tal apoveita-se o excedente de enegia poduzida duante a noite paa bombea água novamente paa a albufeia (baagem), conseguindo-se assim algum equilíbio enegético, amazenando o excedente poduzido duante a noite, paa se consumido mais tade duante o dia. 56

70 6.1.2 Pilhas de Combustível As pilhas de combustível (FC Fuel Cell) são uma foma de poduzi enegia a pati de um combustível (hidogénio) e com eduzido impacto ambiental. Amazenando o combustível utilizado, que pode se poduzido a pati de fontes enováveis, fazem com que as FC se compotem como autênticos sistemas de amazenamento. No entanto, é uma tecnologia ainda em fase de matuação mas muito pomissoa. As FC são compostas po um ânodo e um cátodo poosos, cada um evestido num dos lados po uma camada catalisadoa de platina, e sepaados po um electólito (Figua 6.1). Figua 6.1 Repesentação Esquemática de uma Pilha de Combustível (FC) Duante o pocesso de convesão libeta-se calo, o que implica que uma pate da enegia química não é convetida em electicidade e potanto o pocesso tem um endimento que vaia ente os 35% e 60%, dependendo da tecnologia. Existem actualmente cinco tipos de FC: AFC Alkaline Fuel Cell PEFC/PEM Polyme Electolyte Cell / Poton Exchange Membane PAFC Phosphoic Acid Fuel Cell MCFC Molten Cabonate Fuel Cell SOFC Solid Oxid Fuel Cell Na Tabela 6.1 apesenta-se as pincipais caacteísticas de cada tipo de FC. 57

71 Tabela 6.1 Caacteísticas de divesos Tipos de Pilhas de Combustível (FC) A caacteística que aumenta o inteesse po esta tecnologia é a elevada flexibilidade de utilização do combustível (hidogénio) em divesas aplicações que se encontam descitas na Tabela 6.2: Tabela 6.2 Aplicações Divesas das Pilhas de Combustível (FC) Se foem usadas fontes de enegia enováveis na obtenção do combustível utilizado pelas FC (a pati da água), então este seá um sistema de amazenamento de enegia paticamente isento de emissões poluentes. A constituição de um sistema de amazenamento baseado em pilhas de combustível teia que peve o dimensionamento, além da pilha de combustível, de elementos que ealizem os seguintes pocessos: 58

72 Podução de Hidogénio Um dos pocessos paa a podução de hidogénio, apoveitando a enegia poduzida em excesso, é a electólise da água (fonecimento de uma tensão e coente atavés de eléctodos ente os quais existe um meio conduto iónico). Amazenamento do Hidogénio O hidogénio é mais fequentemente poduzido, amazenado, tanspotado e utilizado no estado gasoso. O seu amazenamento é feito em cilindos pessuizados (ente 6 e 10 3 Nm ) com supote ao uso de compessoes, e consequente gasto de enegia. Sistemas de Seguança O hidogénio exige a tomada de medidas de seguança adequadas uma vez que é altamente inflamável. O mesmo tatamento equeido, na podução, tanspote e amazenamento de gás natual e GPL deve se aplicado ao hidogénio. Na ocoência de fugas, este gás sobe uma vez que é de pouca densidade e como tal é conveniente seem instalados em locais bem ventilados e com abetua na pate supeio da edificação. Nota ainda que, a sua pesença no ambiente é só detectável via sistemas pópios de detecção. Sendo que, além dos sistemas acima efeidos o sistema de amazenamento necessita ainda de outos equipamentos auxiliaes, como se pecebe. O amazenamento baseado em pilhas de combustível apesenta assim váias desvantagens, em paticula aquando a sua utilização em estações emotas de telecomunicações. Desvantagens como, o tempo de vida útil ainda elativamente desconhecido, o custo elevado desta tecnologia, endimentos infeioes a 50%, e o tempo de latência paa o início de podução que pode i de minutos a hoas. Somos assim levados a adopta paa o nosso sistema de amazenamento uma solução mais tadicional, a utilização de um banco de bateias. Nota no entanto que, a utilização das pilhas de combustível (FC) tem vindo a ganha cada vez mais teeno na indústia automóvel com o apaecimento dos caos elécticos, que pouco a pouco vão substituindo os actuais veículos dependentes dos combustíveis fósseis. Especulase que, a utilização destes veículos elécticos, num futuo póximo, possam vi a contibui paa o equilíbio enegético, amazenando enegia duante a noite quando há excedente, e disponibilizando enegia duante o dia quando há défice Banco de Bateias De foma a selecciona e dimensiona o banco de bateias a se utilizado pela nossa estação emota de telecomunicações, segui-se-á uma beve intodução dos conceitos necessáios sobe bateias. A Figua 6.2 etata assim um esquema simplificado de uma célula de bateia. 59

73 Figua 6.2 Esquema Simplificado de uma Célula de Bateia Estas são compostas po um eléctodo negativo (ex. chumbo - Pb) que duante a descaga fonece electões à caga ligada a bateia, e um eléctodo positivo (ex. dióxido de chumbo PbO 2 ) que aceita electões da caga. O electólito completa o cicuito inteno da bateia fonecendo iões ao eléctodo positivo e negativo, que se encontam sepaados po um sepaado (em plástico pooso ou fiba de vido) paa impedi que haja cuto-cicuito, mas que no entanto é volátil aos iões. Nomalmente cada célula de bateia gea uma tensão de 2V, sendo que se associam váias células em séie e paalelo paa se obte a tensão e coente desejadas. então: As caacteísticas elevantes à selecção e dimensionamento do banco de bateias são Capacidade da Bateia Quantidade de enegia que uma bateia consegue fonece quando descaegada de uma foma unifome ao longo do tempo. É medida em ampee-hoa (Ah). Potanto, se uma dada bateia indica uma capacidade de 2000 Ah, C100, 25ºC, 1.75 VpC significa que a uma tempeatua ambiente de 25ºC podeá fonece 20A duante 100h, após o que a tensão em cada célula passaá a 1,75V. o o o Devemos te em atenção também que quanto mais elevada fo a descaga, meno seá a capacidade; devemos limita a coente máxima de cagas/descagas a um valo 10% infeio à capacidade da bateia em Ah; a tempeatua afecta a capacidade das bateias, assim como a sua capacidade diminui com a idade e uso. Pofundidade de Descaga (DOD Depth of Deschage) A pofundidade de descaga indica, em temos pecentuais, quanto da capacidade nominal da bateia foi etiada a pati do estado de plena caga. Po exemplo, a emoção de 25 Ah de uma bateia de capacidade nominal de 100 Ah esulta em uma pofundidade de descaga de 25%. 60

74 Tempo de Vida Útil É dada em númeo de ciclos de caga/descaga. Esta depende muito das condições de funcionamento, e considea-se que a bateia atingiu o seu tempo de vida útil quando a capacidade está eduzida a 80% da capacidade nominal. É de salienta ainda que este tempo de vida útil diminuí de uma foma exponencial com o aumento da pofundidade de descaga, como demonsta a Figua 6.3. Figua 6.3 Tempo de Vida Útil das Bateias com a Pofundidade de Descaga Auto Descaga É esultante das coentes intenas na bateia mesmo quando não utilizada. Os fabicantes indicam a caga pedida po dia ou mês. Densidade de Enegia Quantidade de enegia amazenada po unidade de volume ou peso, e usualmente medida em Watt-hoa po quilogama (Wh/kg). Rendimento das Bateias Emboa de endimentos elevados, é fequente considea no dimensionamento pedas na odem dos 20% paa acautela a auto descaga, a dissipação de enegia em foma de calo, ente outas. Dento das caacteísticas geais enumeadas anteiomente, as bateias são ainda classificadas em não ecaegáveis, e ecaegáveis. Obviamente, paa o pojecto em questão apenas inteessam estas últimas, sendo que segui-se-á uma beve análise das cinco tecnologias mais utilizadas no contexto das bateias ecaegáveis, e suas vantagens e desvantagens. Bateias de Pata-Zinco (AgZn) É uma das bateias que possui uma densidade de enegia (75Wh/kg) e fiabilidade mais elevada, fequentemente utilizada na indústia milita e aeoespacial. No entanto, apesentam um custo elevado e de manuseamento peigoso deivado à sua composição. Sendo que, são pouco atactivas paa o uso comecial. 61

75 Bateias de Iões de Lítio (Li-ion) Possuem uma densidade de enegia elevada (>100Wh/kg), e com excelentes endimentos, mas em contapatida têm um tempo de vida útil eduzido e um peço também elevado. Além de que, duante a descaga, se a tensão da célula desce abaixo dos 2,5V, a bateia podeá fica pemanentemente danificada, e como tal exigese sempe na sua utilização um contole de caga peciso. São utilizadas fundamentalmente em telemóveis e computadoes potáteis, onde o volume, peso, e autonomia, são as caacteísticas mais impotantes. Bateias de Níquel - Cádmio (NiCd) De densidade de enegia elevada (50Wh/kg) e de longa duabilidade, estas são nomalmente utilizadas em aplicações domésticas (máquinas de filma). A maio desvantagem é a edução da capacidade de ecaga ao longo da sua vida útil ( efeito memóia ), e pejudica o meio ambiente pelo facto do Cádmio se altamente tóxico. Bateias de Níquel Metal Hideto (NiMH) Consideadas como uma extensão tecnológica das anteioes (NiCd), de foma a elimina o efeito de memóia, apesentam no entanto custo elevado e uma taxa de auto descaga elativamente elevada. Bateias de Chumbo Ácido (Pb-Ácido) Bateias fabicadas à décadas e como tal de tecnologia bem dominada. Apesentam inúmeas vantagens, desde a elevada fiabilidade, disponibilidade, duabilidade, custo eduzido, e de endimentos em tono dos 85%. O maio inconveniente nestas bateias é o seu peso e volume, uma vez que apesentam baixa densidade de enegia (35Wh/kg), e potanto aplicáveis onde este facto não é deteminante. Das cinco tecnologias descitas a opção ecaí, obviamente, nas bateias de Chumbo ácido uma vez que o seu peso e volume não são, em geal, obstáculo quando utilizadas em estações emotas de telecomunicações. Dependendo do tipo de aplicação, as bateias de chumbo ácido podem se classificadas como automotoas, taccionáias ou estacionáias. O tipo de aplicação detemina a solução constutiva de cada tipo de bateia. Bateias Automotoas Utilizadas fundamentalmente no accionamento dos motoes de aanque dos automóveis. Destaca-se assim como caacteística mais impotante a elevada coente que é necessáia disponibiliza num intevalo de tempo eduzido. Pojectadas paa funciona paa descagas pouco pofundas (5% da capacidade nominal), caso contáio o seu tempo de vida útil é fotemente eduzido. 62

76 Bateias Taccionáias Usualmente utilizadas em veículos de tacção como empilhadoas elécticas, cainhos de golfe, ou veículos industias. Pojectadas paa pofundidades de descaga na odem dos 80%, com o inconveniente de necessitaem de manutenção fequente (adição de água destilada paa completa o volume do electólito). Comecialmente, só são encontadas como bateias de gande volume e tensões de no mínimo 48V, sendo gealmente fabicadas po encomenda. Bateias Estacionáias Encontam-se posicionadas ente as bateias automotoas e taccionáias, e apesentase com 3 tipos de electólito: o o o Electólito de Gel: Apesenta como vantagem a seguança uma vez que o electólito é em gel e potanto não deama (ácido sulfúico). A desvantagem está na diminuição da coente máxima de caga/descaga supotada. AGM (Absoved Glass Mat): Electólito composto po uma espécie de fiba de vido, sendo potanto muito semelhante à anteio. Electólito Fluido: Electólito composto po ácido sulfúico diluído com água ( H 2SO4 ), quando completamente caegada apesenta 75% de Água, e 25% de ácido sulfúico. Estas podem ou não te manutenção, mas existem quase sempe válvulas de egulação da pessão intena, e como tal são designadas de VRLA (Valve Regulated Lead-Acid Batteies). A maio desvantagem é a edução do seu tempo de vida útil com o aumento da tempeatua, mas colmatada pela vaiante SPV que utiliza membanas de pemeabilidade selectiva eduzindo as pedas em 95%, e potanto fica a bateia pouco sensível às vaiações da tempeatua e consequentemente eduzida ou mesmo eliminada a manutenção. Seguindo a tendência mundial da utilização das bateias VRLA, deivado às suas caacteísticas técnicas e mecânicas, e à enome divesidade de ofeta de acodo com a aplicação, a opção paa o nosso sistema de amazenamento vai assim ao enconto das bateias Chumbo Ácido, Estacionáias, na classe das VRLA. 63

77 6.2 Selecção das Bateias a Utiliza A escolha da maca e modelo das bateias a utiliza no sistema de amazenamento da nossa estação emota de telecomunicações deve te em conta a capacidade, o peço, e em especial a ausência de manutenção. Constata-se que, o fabicante da EXIDE Technologies disponibiliza uma vaiedade enome de bateias, consoante a aplicação em causa. Seguindo as suas indicações no que espeita a sistemas de telecomunicações, este sugee a utilização da maca Sonnenschein [13] com divesos modelos, dos quais alguns especificamente vocacionados paa utilização conjunta com sistemas fotovoltaicos e eólicos. Na Tabela 6.3 apesentam-se as caacteísticas pincipais desta gama de bateias. Tabela 6.3 Caacteísticas Pincipais da Gama de Bateias Sonnenschein Caacteísticas Técnicas Sola Seies Sola Block A600 Sola Tensão Nominal [V] 12 6 e 12 2 Capacidade Nominal [Ah] T=20º; V pc =1.80V; C100h 6.60 a a a 3924 Coente de Descaga [A] ; I100h 0.06 a a a 38.2 Peso Máximo po Célula [kg] 2.60 a a a 240 A selecção da capacidade nominal a utiliza, e da a escolha pecisa do modelo, só pode se efectuada depois de conhecida a aquitectua do sistema e espectivos componentes a utiliza, tema a aboda seguidamente. 6.3 Aquitectua do Sistema e Electónica de Potência Existem actualmente dois tipos de aquitectua que difeem essencialmente no tipo de inteligação ente os váios componentes constituintes. A aquitectua mais antiga, com um estado de matuação mais avançado, é conhecida po DC-Coupled, em que os sistemas são inteligados atavés de um bus comum em coente contínua. A outa altenativa é utiliza uma aquitectua AC-Coupled, e neste caso, os componentes estão inteligados em coente altena [6] Aquitectua AC-Coupled A aquitectua AC-Coupled é constituída fundamentalmente po invesoes DC/AC que impõe valoes de fequência e tensão apopiados, ciando assim um bus comum AC. Podemos assim acopla divesos sistemas de podução independentes, ou mesmo cagas, como se obseva na Figua

78 Figua 6.4 Sistema Híbido Off-Gid com Aquitectua AC-Coupled As pincipais vantagens desta aquitectua, é sem dúvida, a escalabilidade. Necessidades de expansão da ede fazem-se simplesmente ligando mais unidades podutoas do lado AC e espectivos invesoes, sem necessidade assim de se modificaem os outos equipamentos. Apenas o sistema que impõe e contola as caacteísticas da ede (Inveso/Caegado) é específico desta aquitectua, todos os outos são também utilizados em sistemas On-Gid, e como tal muito vulgaizados e de eduzido custo. Como efeido, o sistema que impõe e contola as caacteísticas da ede é o elemento cental desta aquitectua. Este contola o nível de tensão e fequência no bus AC a que está ligado, injectando potência poveniente das bateias quando o consumo é supeio à podução, ou caegando as bateias quando existe excesso de enegia a se poduzida na ede. Como exemplo, o fabicante SMA [14] detém um potfólio extenso destes podutos paa divesas potências de utilização (Sunny Island, Sunny Boy, Sunny Wind, em tono de váios kw), mas que paa o caso da nossa estação emota de telecomunicações, dadas as caacteísticas e potência exigida, não paece se a solução técnica e economicamente mais viável Aquitectua DC-Coupled Nesta aquitectua, os váios elementos constituintes do sistema híbido estão inteligados atavés de um bus DC (Figua 6.5) havendo um inveso esponsável pela convesão de toda a enegia geada de DC paa AC caso queiamos liga o sistema a ede pública (On-Gid). Eventualmente, todos estes equipamentos de convesão podem se agupados num único equipamento, incluindo a gestão de gupos geado Diesel. Como exemplo, o fabicante Ingeteam disponibiliza um destes invesoes de ligação à ede pública (Ingecon Hybid [14]) com potências ente os 3kW e 12kW, e que eúne todos os convesoes necessáios a aplica à enegia poveniente de divesas fontes (fotovoltaica, eólica, moto Diesel), e espectivo amazenamento (bateias). 65

79 Figua 6.5 Sistema Híbido Off-Gid com Aquitectua DC-Coupled A vantagem desta aquitectua é a qualidade da enegia fonecida aos consumidoes uma vez que depende apenas do inveso que faz a convesão DC/AC. Além de que, e como já havia sido efeido, é uma aquitectua mais antiga e de tecnologia muito desenvolvida, e consequentemente de custo substancialmente mais eduzido. Emboa exija divesos convesoes AC/DC, DC/DC, com edução no endimento global, paa o nosso caso paticula da estação emota de telecomunicações que é alimentada com coente continua (-48V ± 10%, secção 3.1.1), o conveso DC/AC é dispensado, e como tal esta paece se a melho opção aquitectual paa alimenta a nossa estação emota Selecção da Aquitectua Dado que o nosso sistema emoto de telecomunicações exige pouca potência (Tabela 3.3, apoximadamente 360W), e é alimentado po uma coente continua (-48V ±10%), devemos assim opta po uma aquitectua DC Coupled dispensando o inveso DC/AC de ligação à ede eléctica pública, e utilizando convesoes independentes paa cada uma das fontes enováveis (fotovoltaica, eólica). O agupamento de todos estes sistemas de convesão num único sistema (exemplo: Ingecon Hybid [14]), paa o nosso caso paticula, só iia encaece o custo total do pojecto. Na secção admitiu-se paa o nosso pojecto a utilização de painéis PV 155-M po apesenta um meno custo po Watt pico. A ligação destes painéis ao bus DC faz-se inteligando um MPPT Sola Chage Contolle (Figua 4.7) paa que dada uma tensão geada pelo conjunto de painéis fotovoltaicos fonecida à entada deste dispositivo (que vaia confome a adiação sola e tempeatua), este gea uma tensão constante à saída maximizando sempe a potência (MPPT), pemitindo assim alimenta coectamente a nossa caga, e com seguança caega o nosso banco de bateias e também potege os painéis da caga das bateias quando estes pouco ou nada poduzem (duante a noite). 66

80 Existem inúmeos fabicantes com estes podutos, mas pocuou-se um que tivesse alguma divesidade de foma a enconta-se um dispositivo a baixo custo, e com uma saída configuável de 48V. Recoendo assim ao evendedo Altestoe, este apesenta o modelo Outback Flexmax 60 Chage Contolle com saídas configuadas (incluindo os 48V) e com um peço elativamente competitivo (a onda os 400 ). Esta unidade tem as seguintes caacteísticas técnicas pincipais dadas na Tabela 6.4. Tabela 6.4 Caacteísticas Técnicas Pincipais do OutbackFlexmax 60 ChageContolle Caacteísticas Técnicas Outback Flexmax 60 Chage Contolle Tensão Nominal das Bateias 12, 24, 36, 48, o 60 VDC (Single model - selectable via field pogamming at stat-up) Coente Máxima de Saída 104 F (40C) with adjustable cuent limit Númeo Máximo de Aays 12 VDC systems 90Watts / 24 VDC systems 180Watts / 48 VDC systems 360Watts / 6VDC Systems 450Watts Númeo Recomendado de Aays 12 VDC systems 75Watts / 24 VDC systems 150Watts / 48 VDC systems 300Watts / 6VDC Systems 375Watts Eficiência 98,1% Paa o caso da tubina eólica, de acodo com as caacteísticas do nosso sistema, admitiuse a utilização da tubina Whispe 100 (secção 5.2). O mesmo fabicante sugee a utilização do equipamento Whispe 100/200 Contolle, de eduzido custo (a onda os 500 ), e com divesas saídas DC configuáveis. Uma destas saídas satisfaz exactamente as nossas necessidades, 48V contínuos. É possível ainda e como anteiomente efeido, atavés deste contolado, liga até 3 tubinas Whispe em simultâneo e daí aumentamos a potência do nosso sistema sem temos de altea a sua aquitectua. A Figua 6.6 exemplifica assim a aquitectua DC-Coupled a utiliza com a espectiva inteligação ente os dispositivos, caso a altenativa seleccionada seja a híbida (fotovoltaico e eólico, Altenativa 3 da Tabela 3.5) Figua 6.6 Aquitectua DC-Coupled Híbida da Estação Remota de Telecomunicações 67

81 Uma vez seleccionada a aquitectua a utiliza no pojecto em questão e os espectivos dispositivos convesoes, segui-se-á o dimensionamento do banco de bateias, e o númeo de painéis e tubinas exactos necessáios paa satisfaze a alimentação da nossa estação emota de telecomunicações. 6.4 Deteminação das Pedas no Sistema Na secção 3.3, já havíamos consideado paa o cálculo apoximado da enegia total a poduzi 30% de enegia adicional à equeida pela caga de foma a contempla as pedas totais no sistema. Uma vez definida a aquitectua (Figua 6.6) e os componentes a utiliza, podemos agoa detemina com maio exactidão as pedas totais no sistema e daí dimensiona o sistema com maio pecisão. Recoendo aos dados dos fabicantes é possível elaboa a seguinte Tabela 6.5: Tabela 6.5 Pedas de Convesão e Amazenamento na Aquitectua DC Coupled Função Electónica de Potência Pedas Convesão e Amazenamento Conveso DC/DC Outback Flexmax 60 Chage Contolle 2% Conveso AC/DC Whispe 100/200 Contolle 3% Amazenamento Sonnenschein 21 20% Admitindo novamente a Altenativa 3 da Tabela 3.5 epesentada pela Figua 6.6, podem deduzi-se as seguintes equações: em que E E Fot a Eol a = E = E E = E + E Fot Cons Eol Cons P od Total + E + E Fot a ConvDC / DC p ConvAC / DC p Eol a + E + E Fot Am Eol Am + E + E AmFot p AmEol p Equação 6.1 Equação 6.2 Ou seja, à enegia a poduzi po cada uma das pacelas (fotovoltaica e eólica) paa satisfaze a nossa caga devem ainda se somadas as pedas de convesão e de amazenamento, assim como a enegia necessáia paa caega as bateias, isto na situação em que a podução é supeio ao consumo. A Equação 6.2 eflecte assim uma situação em que as bateias estão paticamente descaegadas, sendo potanto necessáio poduzi enegia não só paa alimenta a caga, mas ao mesmo tempo caega as bateias. No caso do consumo se supeio à podução devem actua as bateias, e no limite, caso não haja qualque podução de enegia fotovoltaica ou eólica (à noite e sem vento) apenas teíamos pedas de amazenamento. No entanto, e paa o dimensionamento do nosso sistema, optaemos obviamente pela situação de maioes pedas. 21 O fabicante não fonece dados concetos da eficiência mas efee estaem acima dos padões nomais 68

82 Podemos ainda detemina as pedas totais no sistema po coecção à enegia consumida pela caga, ou seja, Sist Cons ConvDC DC ConvAC / DC E = E (% E + % E + E p a p / Am p p Sist Cons E p = Ea 0,25 = 3,16 0,25 = 0, 79MWh ) Equação 6.3 Significa isto que, compaativamente ao cálculo apoximado da enegia total (secção 3.3) onde se assumiu 30% paa as pedas, veifica-se agoa que este valo deve se coigido paa os 25%. Como efeido anteiomente, a enegia total a poduzi deve não só colmata estas pedas, como deve gea enegia adicional paa caega as bateias como se iá veifica mais à fente. 6.5 Dimensionamento das Bateias O cálculo da enegia a amazena pelas bateias é gealmente efectuada com base em infomações pouco detalhadas aceca da podução aquando a utilização de enegias enováveis, dadas as suas caacteísticas pobabilísticas. Se no entanto optamos po um sistema híbido (fotovoltaico e eólico Altenativa 3 da Tabela 3.5), este apesentaá uma vantagem adicional deivado ao facto de ecoe a duas fontes de enegia cujas disponibilidades, apesa de seem vaiáveis aleatóias, são independentes o que eduz a pobabilidade de inexistência da podução de enegia tonando assim menos exigentes as especificações do sistema de amazenamento. Paa o cálculo da capacidade do sistema de amazenamento, admite-se, que o amazenamento deve satisfaze o consumo do nosso sistema emoto de telecomunicações como se de a única fonte de enegia se tatasse, duante váios dias consecutivos, que aqui se assume seem de 3 dias. Como já anteiomente descito, nem toda a enegia contida pelo sistema de amazenamento pode se disponibilizada à caga, teemos de aumenta em 20% a capacidade nominal do sistema de amazenamento paa acautela a pofundidade de descaga (que assumimos 80% paa as bateias seleccionadas). 6.4, Donde esulta que a enegia a amazena deveá se coigida de acodo com a Equação Total dod Am Eam = Econs ( 1+ Eam + E p ) = Econs (1 + 0,2 + 0,2) 36, 4kWh em que Econs = 361*3dias 26kWh Equação

83 De acodo com a aquitectua seleccionada (secção 6.3.3) e admitindo a utilização de células (blocos) de 12V ligadas em séie (Sola Seies ou Sola Block - Tabela 6.3), esulta que necessitamos de associa 4 bateias em séie paa pefaze a tensão definida paa o bus DC- Coupled (que coesponde também à tensão da caga), ou seja, V Ban n = 12 V 4 = 48V Pelo que a capacidade nominal, em ampee-hoa, do banco de bateias pode se dada pela equação seguinte: Total Ban Eam 36,4KWh Cn = = = 758, 33Ah Ban V 48 n Cada bateia deve contibui assim com a seguinte capacidade apoximada, Ban Cel Cn 758,33Ah Cn = = = 189, 58Ah 4 4 Consultando as caacteísticas técnicas do fabicante com objectivo de se enconta a capacidade mais póxima possível da calculada (em 12V), dento de um peço azoável, identificou-se assim o modelo SB12/185A de 185Ah de capacidade na gama Sola Block (Tabela 6.3), e com um peço apoximado de 700. Nota que, a deteminação da capacidade paa o banco de bateias se fez com base na enegia total a amazena, e que esta po sua vez contempla já as pedas de amazenamento também consideadas na Equação 6.3. Deve-se assim coigi a Equação 6.3 entando em consideação apenas com as pedas de convesão, donde esulta: Conv Cons E p = Ea 5% = 3,16 MWh 0,05 158kWh Equação Dimensionamento do Sistema Híbido A selecção da melho Altenativa (Tabela 3.5) paa o fonecimento enegético à nossa estação emota de telecomunicações deve passa po uma avaliação económica, tema a aboda mais adiante. No entanto, e após as váias análises ealizadas no decoe deste tabalho, tecnicamente, a opção de se combina a fonte fotovoltaica e eólica paece se a mais vantajosa, vejamos: Duante a análise da podução fotovoltaica (secção 4) veificou-se que a maio concentação da podução de enegia se encontava fundamentalmente nos meses de Veão (Abil a Setembo), como demonsta a Figua 4.9, e que foa desses meses a podução fotovoltaica não satisfaz o consumo (emboa na pespectiva anual se veifique). 70

84 Po outo lado, e da análise da podução eólica (secção 5) veificou-se que, duante os meses de Inveno a podução é em geal supeio (Figua 5.9), e mais equilibada ao longo do ano do que a fotovoltaica. Facilmente se pecebe que, a combinação destas duas fontes de enegia não só eduzem a pobabilidade de inexistência de podução, como enegéticamente se complementam e apesentam assim uma enegia média mensal mais egula. Segue-se assim uma análise detalhada do sistema híbido (Altenativa 3 da Tabela 3.5), admitindo como anteiomente o modelo PV 155-M de painéis fotovoltaicos, tubinas Whispe 100, e o espectivo amazenamento supotado po 4 bateias SB12/185A de 185Ah Enegia Mensal Requeida pelo Sistema Fazendo uso da Equação 6.4 e Equação 6.5 podemos facilmente taça o pefil mensal da enegia equeida pelo sistema que é composto pela caga, pedas de convesão, e enegia a amazena (que incluí as pedas de amazenamento). A Figua 6.7 dá-nos assim a enegia mínima que o sistema de podução deveá poduzi em cada mês. A soma de todas estas enegias mensais dá-nos a enegia anual consumida pelo sistema, E ConsSist a = 3, 76MWh. CARGA, Pedas de Convesão, e Amazenamento Enegia Média Mensal [kwh] CARGA Pedas de Conv Amaz. Total Janeio Feveeio Maço Abil Maio Junho Julho Agosto Setembo Outubo Novembo Dezembo Figua 6.7 CARGA, Pedas Conv. e Amazenamento no Sistema Híbido (DC Coupled) 71

85 6.6.2 Enegia Mensal e Anual Poduzida nas Estações Mais uma vez, com base no ficheio Dimensionamento_Enegético.xls (em anexo secção 9.2.1), pecoeu-se cada uma das 4 localizações da estação emota de telecomunicações fixando o númeo de tubinas de acodo com os esultados da Tabela 5.2, e incementando ou decementando o númeo de painéis mínimo que satisfaça mensalmente a enegia equeida pelo sistema (secção anteio). Esta opção teve em consideação o facto de que os painéis fotovoltaicos epesentam uma meno fatia enegética face às tubinas eólicas, e potanto devemos pimeiamente fixa o númeo de tubinas, e só depois efina o equilíbio enegético ente a podução e o consumo atavés da alteação ao númeo de painéis. A Tabela 6.6 eflecte assim o esultado final das divesas simulações efectuadas com a enegia mensal poduzida em cada estação, e o espectivo balanço enegético face às necessidades de consumo do sistema. Tabela 6.6 Enegia Média Mensal Poduzida e Balanço Enegético nas Divesas Estações Mês Enegia Média Mensal Poduzida [kwh] & Balanço Enegético [%] São Pedo Velho São Mamede Esposade Vilainho das Funas Whispe 100 => 2 Tubinas => 2 Tubinas => 2 Tubinas => 2 Tubinas PV 155-M => 2 Painéis => 2 Painéis => 2 Painéis => 3 Painéis Janeio 425,83 34% 427,58 34% 426,29 34% 432,40 36% Feveeio 401,75 38% 400,49 38% 399,92 37% 407,67 40% Maço 610,15 92% 613,76 93% 614,91 93% 625,97 97% Abil 515,30 67% 512,17 66% 514,19 66% 523,92 69% Maio 340,81 7% 337,63 6% 338,48 6% 354,07 11% Junho 371,65 20% 365,89 18% 365,03 18% 390,68 26% Julho 350,23 10% 337,50 6% 340,33 7% 366,32 15% Agosto 370,71 16% 363,70 14% 365,87 15% 388,05 22% Setembo 471,89 53% 467,95 51% 467,78 51% 483,38 56% Outubo 322,16 1% 317,26 0% 319,79 0% 324,47 2% Novembo 468,33 51% 464,82 50% 466,70 51% 469,50 52% Dezembo 356,82 12% 357,48 12% 360,56 13% 361,52 14% Total [MWh] 5,01MWh 33% 4,97MWh 32% 4,98MWh 33% 5,13MWh 36% Deste esultado pecebe-se que no caso da localização de Vilainho das Funas há a necessidade de um painel adicional, isto poque, e como se havia concluído na secção 4.6.2, aquela localização apesenta um potencial sola anual meno peante as outas localizações, ou seja, meno utilização anual da potência fotovoltaica instalada. Recode-se que apenas existem dependências, de localização paa localização, no que espeita à enegia sola, uma vez que assumimos na secção o mesmo potencial eólico igual à localização de Outeio dos Fiéis. 72

86 Conclui-se também que no caso do sistema apenas eólico (Tabela 5.2), em que o mês mais desfavoável coespondia ao mês de Julho, no sistema híbido o mês mais desfavoável passou a se Outubo. Como já efeido, é duante o Inveno que o potencial fotovoltaico é meno, e se no sistema híbido aumentamos o númeo de painéis a utiliza, o mês mais desfavoável é aastado paa a estação do Inveno Balanço Mensal Enegético na Estação São Pedo Velho, Miandela Como veificado na secção anteio, paa o caso paticula da estação emota esta localizada em São Pedo Velho (Miandela), necessitamos de pelo menos 2 tubinas Whispe 100 e 2 painéis PV155-M paa satisfaze as necessidades mensais enegéticas de todo o sistema (consumo, pedas de convesão, amazenamento, etc.). A Figua 6.8 desceve o balanço enegético ente a enegia total mensal necessáia e a enegia mensal disponibilizada pelas fontes podutoas (eólica e fotovoltaica). Enegia Média Mensal [kwh] Poduzida/Consumida no Sistema DC Coupled Enegia Poduzida Enegia Consumida Balanço Enegético 0 Janeio Feveeio Maço Abil Maio Junho Julho Agosto Setembo Outubo Novembo Dezembo Figua 6.8 Balanço Mensal Enegético em São Pedo Velho no Sistema Híbido Com esta configuação, não só satisfazemos as necessidades enegéticas mensais de todo o nosso sistema, como gaantimos que o balanço anual da enegia poduzida está apoximadamente 33% acima da enegia equeida. No entanto, consideando o mês mais desfavoável que paa este caso coesponde ao mês de Outubo, a podução está apenas 1% acima do equeido pelo sistema. É desejável assim aumenta esta difeença e gaanti mais seguança no dimensionamento do sistema, pelo menos uma podução acima dos 20% (apoximadamente). Uma vez que a contibuição da maio fatia enegética pate da podução eólica, e queendo apenas pequenos incementos enegéticos, vamos aumenta assim o númeo de painéis fotovoltaicos até atingimos uma podução acima dos efeidos 20% nos meses mais desfavoáveis. 73

87 A Tabela 6.7 dá-nos assim o balanço enegético ente a podução e a enegia equeida pelo sistema consideando a utilização de 2 tubinas Whispe 100, 8 painéis fotovoltaicos PV 155-M, e 4 bateias SB12/185A de 185Ah. Tabela 6.7 Enegia Média Mensal & Balanço Enegético acima dos 20% em Miandela Mês Whispe 100 PV 155-M Enegia Média Mensal Poduzida & Balanço Enegético em São Pedo Velho => 2 Tubinas => 8 Painéis Janeio 453,70 42% Feveeio 453,49 56% Maço 684,64 115% Abil 640,04 107% Maio 495,90 56% Junho 550,06 78% Julho 553,09 74% Agosto 534,07 68% Setembo 583,64 89% Outubo 398,35 25% Novembo 514,22 66% Dezembo 381,16 20% Total [MWh] 6,24MWh 66% Esta deve se possivelmente a escolha, do ponto de vista técnico, o sistema de podução de enegia a alimenta a nossa estação emota de telecomunicações localizada em São Pedo Velho (Figua 6.9); a valida no entanto com a análise económica que se segue. Poduzida/Consumida no Sistema DC Coupled Enegia Poduzida Enegia Consumida Balanço Enegético Enegia Média Mensal [kwh] Janeio Feveeio Maço Abil Maio Junho Julho Agosto Setembo Outubo Novembo Dezembo Figua 6.9 Balanço Enegético em S. Pedo Velho com Pod. Mensal acima dos 20%

88 7. Avaliação Económica do Pojecto De foma a avaliamos economicamente o sistema pojectado, em paticula decidimos qual a melho altenativa de podução de enegia paa a nossa estação emota de telecomunicações (Tabela 3.5), faemos uma análise económica com base no investimento inicial, em actividades equeidas de opeação e manutenção (O&M), e nas eceitas caso as haja. 7.1 Intodução Económica A avaliação económica de investimentos pojectados paa longos peíodos de vida (váios anos) deve foçosamente considea que um pagamento ealizado hoje, é difeente se fo ealizado daqui a váios anos. É assim necessáio efectua a actualização desses valoes com base numa taxa de actualização. Com base no custo unitáio médio actualizado, no VAL, e no TIR, é possível de uma foma mais ou menos expedita avalia economicamente os nossos investimentos [5] Modelo Simplificado do Custo Unitáio Médio Actualizado O custo unitáio médio anual é significativo paa cada ano. Contudo, é menos significativo se o peíodo de avaliação se estende desde a decisão do investimento até ao fim de vida útil da instalação, isto poque não têm o mesmo valo, pagamentos e ecebimentos iguais feitos em momentos difeentes. Devemos assim detemina qual o custo unitáio médio actualizado, e com base neste seá possível toma decisões elativamente a investimentos a efectua. Facilmente se pecebe que um pagamento F 0 feito hoje equivale a um pagamento (maio) feito ao fim de t anos e ajustado com base numa taxa de actualização, a. Podemos assim esceve: F = F (1 a) 0 + t Equação 7.1 Invesamente podemos dize que um pagamento F feito no pazo de t anos equivale a um pagamento (meno) F0 feito hoje, ou seja: F 0 = F (1 + a) t Equação 7.2 Sendo assim, paa se obte o custo unitáio médio actualizado, actualizam-se sepaadamente os encagos (de investimento, de opeação e manutenção, de combustível, e outos) e a podução total, duante a vida útil da instalação. Podemos assim esceve: c a = c a1 + ca c E act an Equação

89 Que paa o caso paticula dos custos actualizados de opeação e manutenção (O&M), e que coespondem nomalmente a uma pecentagem do investimento total as despesas em cada ano j, pode-se esceve: I t, onde d omj são c a1 = c O& M a = I d n omj t j= 1 (1 + a ) j Equação 7.4 O mesmo pincípio se aplica ao cálculo do valo acumulado actualizado da podução de enegia, E act = E n n aj aj = P j i j j= 1 (1 + a) j= 1 (1 + a) h Equação 7.5 seguinte: De foma a simplifica o modelo de actualização do custo unitáio médio admita-se ainda o 1) O investimento concenta-se no instante inicial, t=0, epesentado po I t 2) A utilização anual da potência instalada é constante ao longo da vida útil e igual a h a, que paa a mesma potência instalada, P i, é o mesmo que dize que a enegia anual poduzida é constante ao longo da vida útil e epesentada po 3) Os encagos de O&M são constantes ao longo da vida útil e iguais a d om uma pecentagem do investimento inicial) 4) Não há encagos com combustível 5) Os encagos divesos são nulos ou podem se incluídos nos encagos de O&M E a (nomalmente Definindo agoa os factoes ka e i como: k a = n 1 (1 + a) = 1 j n j= 1 (1 + a) a(1 + a) n Equação 7.6 i 1 k n a(1 + a) = (1 + a) 1 = n a Equação 7.7 O custo unitáio médio actualizado pode assim se calculado atavés da seguinte expessão: c a = I (1 + d t E a k om a k a ) = I ( i + d t P h i om a ) Equação

90 7.1.2 Indicadoes de Avaliação de Investimentos (VAL, TIR) Paa além do custo unitáio médio actualizado descito na secção anteio que nos possibilita uma avaliação dos investimentos a efectua, fa-se-á também uso paa a avaliação económica do sistema pojectado dois dos indicadoes mais utilizados na avaliação de pojectos de investimento. Estes indicadoes são designados po Valo Actual Líquido (VAL) ou Balanço Actualizado (BA) e a Taxa Intena de Rentabilidade (TIR). O VAL é a difeença ente as entadas (eceitas) e saídas (investimento) de dinheio devidamente actualizados duante toda a vida útil de empeendimento, e que pode se expesso da seguinte foma: R VAL = V a) n n 1 Lj j + j j j= 1 (1 + a) j= 0 (1 + a) (1 + I n Equação 7.9 Onde n coesponde à vida útil do empeendimento, R é a eceita líquida que se obtém Lj paa o ano j, e V o valo esidual da instalação no fim da sua vida útil, caso exista. Relativamente à eceita líquida, esta calcula-se pela difeença ente a eceita buta anual ( R ) e os encagos de Opeação e Manutenção (O&M), j R Lj = R j d om j Equação 7.10 A deteminação dos encagos de opeação e manutenção faz-se nomalmente assumindo uma dada pecentagem do investimento inicial (usualmente considea-se 1% paa sistemas de On-Gid). Nas hipóteses do modelo simplificado intoduzido na secção e despezando o valo esidual, a Equação 7.9 toma a seguinte foma: VAL = R L K a I t Equação

91 O VAL diminui assim com o aumento da taxa de actualização poque quanto maio é o endimento mínimo exigido, meno a entabilidade do pojecto paa além do etono do investimento e desse mínimo exigido. Figua 7.1 Vaiação do VAL com a Taxa de Actualização, Definição do TIR Relativamente ao TIR, este é po definição a taxa de actualização que anula o Valo Actual Líquido, ou seja, VAL=0. De acodo com este indicado (TIR) pode conclui-se aceca do inteesse do empeendimento no contexto do mecado financeio. Novamente, nas condições do modelo simplificado intoduzido na secção 7.1.1, o TIR pode se extaído da seguinte equação fazendo uso do método de Gauss (com 4 ou 5 iteações): TIR ( k + 1) = R I L t (1 + TIR (1 + TIR ( k ) n ) 1 n ) ( k ) Equação 7.12 Nota que a deteminação do VAL e do TIR pode efectua-se fazendo uso do Micosoft Excel atavés das funções NPV(Net Pesent Value) e IRR(Intenal Rate of Retun), espectivamente. 78

92 7.1.3 Investimento Inicial Actualizado com Amazenamento Relativamente a custos, estes podem se agupados da seguinte foma: Investimento Inicial: Coesponde à soma do peço de todos os equipamentos, custos do pojecto (estudo e implementação), das infa-estutuas, e dos equipamentos de electónica de potência. Opeação e Manutenção (O&M): Estas despesas efeem-se a opeações de veificação do coecto funcionamento do sistema (ex. veificação e manutenção do nível do electólito das bateias) e substituição de equipamentos que veifiquem qualque mau funcionamento. Substituição do Sistema de Amazenamento: Repesenta os encagos efeentes à substituição do banco de bateias que têm um tempo de vida útil espeado nomalmente em tono dos 5 anos. Deve-se assim, numa fase inicial, detemina qual o investimento inicial destinado à implementação do pojecto, após o que se devem calcula os custos actualizados do pojecto ao longo do seu tempo de vida útil espeado (sistema de amazenamento), e os custos anuais elacionados com as despesas de Opeação e Manutenção. De acodo com esta análise, deveá se possível detemina qual a melho altenativa de investimento de acodo com o definido na secção Paa a análise do nosso investimento vamos então considea um tempo de vida útil de 20 anos, uma vez que é expectável que tanto os painéis fotovoltaicos como as tubinas eólicas tenham esse tempo de vida útil máximo. Relativamente à taxa de actualização e consideando a situação económica actual, considea-se um valo em tono dos 5%. Queendo faze uso do modelo simplificado do custo unitáio médio actualizado dado na secção 7.1.1, vamos assumi paa o caso do sistema de amazenamento, a se eposto de 5 em 5 anos, como fazendo pate do investimento inicial actualizado. Quanto às despesas anuais de Opeação & Manutenção assume-se aqui 1,5% do investimento total inicial actualizado. Podemos assim esceve, I act t I t + d d am d am d am ( 1+ a) (1 + a) (1 + a) = am 15 Equação 7.13 Onde ' I t coesponde ao investimento inicial no instante t=0, excluindo o sistema de amazenamento. A actualização do custo do sistema de amazenamento, d am, faz-se assim de 5 em 5 anos que ao se adicionado ao anteio esulta no investimento inicial actualizado, act I t. Nota que, paa efeitos de simplificação, admitimos d am constante ao longo do tempo de vida útil do empeendimento não contabilizando assim qualque alteação de peço. 79

93 7.2 Sistema Baseado em Enegias Renováveis Após uma ápida intodução a conceitos económicos, vamos avança paa a análise económica das divesas altenativas de podução baseadas em enegias enováveis paa alimenta a nossa estação emota de telecomunicações. Começa-se-á com a análise da implementação do pojecto em São Pedo Velho (Miandela), seguindo-se a avaliação da possível substituição de epetidoes passivos (espelhos) po epetidoes activos em duas das estações, e finalmente uma nova análise assumindo que o nosso epetido não tem potecção e consequentemente menoes exigências enegéticas Implementação do Pojecto em São Pedo Velho, Miandela Retomando novamente as váias altenativas possíveis de podução no contexto das enegias enováveis (Tabela 3.5), vamos começa po analisa as 3 pimeias altenativas no que diz espeito à viabilidade económica em São Pedo Velho (Miandela). Nota que, e uma vez que petendemos instala o nosso sistema de podução em infa-estutuas já existentes, junto e na estação de telecomunicações, vamos neste caso considea apenas os custos de aquisição elativos ao equipamento descito em secções anteioes na concepção física da alimentação à nossa estação. A selecção do númeo total de painéis fotovoltaicos, ou tubinas eólicas, ou a combinação dos dois na aquitectua DC Coupled, fa-se-á pocuando sempe que a podução no mês mais desfavoável esteja acima da enegia equeida em ceca de 20%, gaantindo-se assim mais seguança no dimensionamento do sistema. Com base no ficheio Dimensionamento_Enegético.xls em anexo (secção 9.2.1), pecoemos de uma foma iteativa cada uma das combinações dadas na Tabela 7.1 de foma a obtemos o investimento inicial Actualizado ( I act t ), o custo unitáio médio actualizado ( c a ), e o espectivo VAL. Nota que as eceitas são nulas uma vez que não estamos a vende a enegia eléctica poduzida. 80

94 Tabela 7.1 Altenativas Possíveis de Investimento em Enegias Renováveis Componentes Painéis Neces. Tubinas Neces. Invest. Inicial Act Ca [ /MWh] VAL Altenativa 1 (Fotovoltaico+Amazenamento) SW 80 mono PV 155-M PV 185-M Altenativa 2 (Eólico+Amazenamento) Ai Industial Whispe Whispe Whispe Altenativa 3 (Híbido+Amazenamento) Ai Industial+SW 80 mono Ai Industial+PV 185-M Whispe 100+SW 80 mono Whispe 100+PV 155-M Whispe 100+PV 185-M Whispe 200+PV 155-M Whispe 200+SW 80 mono Emboa tenhamos extaído divesos indicadoes económicos, a análise do custo unitáio médio actualizado (Ca) é suficiente uma vez que nos pemite pecebe quanto custa cada MWh a poduzi em cada uma das soluções apesentadas. Como seia de espea, soluções baseadas unicamente em enegia eólica têm um meno custo po MWh, uma vez que é uma tecnologia mais baata e com uma podução enegética bem acima da fotovoltaica. No entanto, e como anteiomente efeido, é desejável a implementação de um sistema híbido uma vez que a combinação destas duas fontes de enegia não só eduzem a pobabilidade de inexistência de podução, como enegéticamente se complementam e apesentam assim uma enegia média mensal mais egula. Dento das soluções híbidas, a solução mais económica apesenta um custo médio unitáio actualizado de 245 /MWh, mas neste caso a fatia fotovoltaica tem um peso enegético de apenas 10% face à eólica de 90%, que é o mesmo que dize que estamos peante um sistema essencialmente eólico, e potanto, a evita. Se optamos no entanto pela solução com custo de 250 /MWh, aqui a fatia enegética fotovoltaica epesenta 26% apoximadamente face à eólica de 74%, e potanto estamos peante um sistema híbido mais equilibado. 81

95 Adicionalmente, quantas mais componentes discetas (tubinas e painéis) existiem no nosso sistema, meno seá a pobabilidade de falha completa do sistema. Ou seja, caso se avaie um painel ou uma tubina, o sistema continuaá a funciona emboa poduzindo menos enegia de acodo com a componente avaiada, até que sejam substituídas ou epaadas as espectivas componentes. Emboa a solução com custo 245 /MWh apesente mais componentes discetas (tubinas e painéis), o citéio equilíbio enegético efeido é de maio elevância, optando-se assim pela solução de custo 250 /MWh po satisfaze ambos os citéios. Compaativamente ao que havia sido anteiomente assumido, utilização de painéis PV 155-M po estes apesentaem um meno custo po Watt pico (secção 4.6.1), veifica-se agoa que do ponto de vista do investimento global do pojecto (Ca) a opção vai de enconto à utilização do modelo PV185-M. Este esultado compeende-se, na medida em que este último apesenta maio endimento paa a mesma áea de painel (Tabela 4.1). Nota ainda que na secção se admitiu, do ponto de vista técnico, a utilização de painéis PV155-M, mas que agoa se conclui que é melho solução a utilização de painéis PV185-M. Concluímos assim que a melho solução dento das 3 altenativas aqui analisadas, em temos técnicos e económicos, é optamos po uma solução híbida (Altenativa 3) constituída po 2 tubinas Whispe 100, 6 painéis fotovoltaicos PV 185-M, e 4 bateias SB12/185A. A Tabela 7.2 e a Figua 7.2 descevem a estutua e distibuição de custos da solução híbida em São Pedo Velho paa um tempo de vida útil estimado em 20 anos. Tabela 7.2 Estutua e Distibuição de Custos da Solução Híbida em São Pedo Velho Solução Híbida em São Pedo Velho (20 anos de Vida Útil) Ca=250 /MWh / Ea=6,24MWh Whispe 100 PV 185-M SB12/185A => 2 Tubinas => 6 Painéis => 4 Bateias Componentes Custos Distibuição Fotovoltaica (Ea=26,4%): ,8% - Custo dos Painéis ,7% - Conveso DC/DC 400 2,1% Eólica (Ea=73,6%): ,0% - Custo das Tubinas ,4% - Conveso AC/DC: 500 2,6% Custo das Bateias Act: ,5% Custos O&M (20 anos): ,7% TOTAL (-VAL) % 82

96 Distibuição de Custos no Sistema Híbido O&M; ; 16% Fotovoltaica; ; 27% Bateias; ; 41% Eólica; ; 16% Figua 7.2 Distibuição de Custos da Solução Híbida em São Pedo Velho Claamente se pecebe que o sistema de amazenamento tem um enome peso na factua a paga, ou seja, coesponde a ceca de 41% do valo total que se iá investi duante o tempo de vida útil do pojecto (20 anos). No entanto, o investimento inicial no aanque do pojecto (em t=0) é na vedade infeio (2800 ) uma vez que a pimeia substituição do banco de bateias só ocoeá daí a 5 anos. Adicionalmente também se pecebe que, e emboa o investimento nas componentes fotovoltaicas (27%) seja supeio aos das componentes eólicas (16%), a enegia fotovoltaica poduzida coesponde sensivelmente a um quato da enegia eólica poduzida (Figua 7.3); mais uma vez fica efoçada a ideia que os sistemas fotovoltaicos têm um peço po MWh substancialmente supeio aos sistemas eólicos. Nota ainda que, emboa os encagos de opeação e manutenção coespondam apenas a 1,5% do investimento inicial actualizado, este valo acaba po eflecti-se no pojecto ao longo do seu tempo de vida útil com um peso de 16% face ao investimento total. Distibuição Enegética Anual no Sistema Híbido [MWh] Fotovoltaica; 1,65; 26% Eólica; 4,59; 74% Figua 7.3 Distibuição Enegética Anual da Solução Híbida em São Pedo Velho 83

97 A Figua 7.4 eflecte assim o balanço enegético ente o sistema de podução híbido e a nossa estação emota de telecomunicações em São Pedo Velho da nossa solução híbida, com 20% de podução adicional no mês mais desfavoável (Dezembo), Poduzida/Consumida no Sistema DC Coupled Enegia Poduzida Enegia Consumida Balanço Enegético Enegia Média Mensal [kwh] Janeio Feveeio Maço Abil Maio Junho Julho Agosto Setembo Outubo Novembo Dezembo Figua 7.4 Balanço Enegético da Solução Híbida em São Pedo Velho (Ca=250 /MWh) Solução Híbida em Substituição dos Repetidoes Passivos É sabido que a solução implementada com epetidoes passivos (espelhos) nas estações emotas de Esposade e Vilainho das Funas (secção 3.1.2) tiveam um investimento inicial, em cada uma das estações, de ceca de Petende-se agoa avalia a solução de se utiliza um epetido activo baseado em enegias enováveis, face ao epetido passivo instalado. Obviamente, a solução paa estes casos tem que se completamente independente da ede pública eléctica, azão pela qual a REN optou po epetidoes passivos. Seguindo a mesma linha de aciocínio da secção anteio e pecoendo novamente o ficheio Dimensionamento_Enegético.xls em anexo (secção 9.2.1), encontamos a solução óptima dada na Tabela 7.3 com 20% de enegia adicional no mês mais desfavoável. 84

98 Tabela 7.3 Custos da Solução Híbida em Esposade e Vilainho das Funas Solução Híbida Esposade Ca=250 /MWh;Ea=5,63MWh Vilainho das Funas Ca=256 /MWh;Ea=5,80MWh Whispe 100 => 2 Tubinas => 2 Tubinas PV 185-M => 4 Painéis => 5 Painéis SB12/185A => 4 Bateias => 4 Bateias Componentes Custos Distibuição Custos Distibuição Fotovoltaica: ,6% ,9% - Custo dos Painéis ,3% ,7% - Conveso DC/DC 400 2,3% 400 2,2% Eólica: ,7% ,8% - Custo das Tubinas ,8% ,1% - Conveso AC/DC: 500 2,9% 500 2,7% Custo Bateias Act: ,0% ,6% O&M(20 anos): ,7% ,7% TOTAL (-VAL) % % Vejamos agoa qual o valo estimado do investimento elativo à implementação do sistema activo descito na Figua 3.3. A Tabela 7.4 dá-nos o custo estimado do sistema activo, ainda sem o sistema híbido acoplado. Tabela 7.4 Custo Estimado do Sistema Activo (SRA4 1+1) Incluindo a Toe Metálica Dispositivos nº Custo de Refeência Repetido Activo (SRA4) => ODU 4 4x2.500 = => IDU 2 2x = Toe Metálica Bastido Divesos TOTAL Estimado

99 Adicionando o custo estimado do sistema activo dado na Tabela 7.4, com a solução híbida poposta na Tabela 7.3, podemos conclui que seia substancialmente entável instala nas localizações de Esposade e Vilainho da Funas epetidoes activos, em contadição aos epetidoes passivos instalados, como demonsta a Tabela 7.5. Tabela 7.5 Compaação de Investimentos ente Repetidoes Passivos e Activos Investimentos Esposade Vilainho das Funas Repetido Passivo Repetido Activo = = Rácio [Passivo/Activo] 2,18 2, Repetido Activo sem Potecção Instalado em São Pedo Velho O epetido activo até agoa consideado envolveu sempe a existência de um esquema de potecção 1+1, constituído assim po 4 unidades ODU e 2 unidades IDU (Figua 3.3). Se abdicamos no entanto da potecção definindo assim uma configuação 1+0, o nosso epetido activo vem assim definido po apenas 2 unidades ODU, e 1 unidade IDU, e consequentemente com um consumo substancialmente infeio dado na Tabela 7.6. Tabela 7.6 Consumo Enegético do Repetido Activo sem Potecção (1+0) Dispositivos nº Potência Total [W] Utilização Anual da Pot. h a [ h] Enegia Anual E Cons a [ MWh] ODU 2 60x2= ,05 IDU 1 32W±10%=> 35, ,31 TOTAL 3 155, ,36 Após se te ecoido ao ficheio Dimensionamento_Enegético.xls em anexo (secção 9.2.1) paa nova simulação nas condições já anteiomente efeidas, mas utilizando agoa uma nova potência de caga, a estutua e distibuição de custos do epetido activo sem potecção vem assim dado na Tabela

100 Tabela 7.7 Estutua e Distibuição de Custos do Repetido Activo sem Potecção Solução Híbida em São Pedo Velho (20 anos de Vida Útil) Ca=316 /MWh / Ea=3,11MWh Ai Industial PV 185-M S12/85A 22 => 2 Tubinas => 5 Painéis => 4 Bateias Componentes Custos Distibuição Fotovoltaica (Ea=44,2%): ,9% - Custo dos Painéis ,6% - Conveso DC/DC 400 3,3% Eólica (Ea=55,8%): ,5% - Custo das Tubinas ,4% - Conveso AC/DC: 500 4,1% Custo das Bateias Act: ,9% Custos O&M (20 anos): ,7% TOTAL (-VAL) % Mais uma vez, emboa o peso da factua fotovoltaica (35,9%) esteja bem acima da eólica (15,5%) e potanto encaecendo mais o pojecto, do ponto de vista técnico esta solução é pefeível uma vez que apesenta um equilíbio ente as enegias fotovoltaica (44,2%) e eólica (55,8%) a poduzi, eduzindo assim a inceteza da não existência em simultâneo dos efeidos ecusos natuais. Dado o eduzido consumo deste epetido activo sem potecção, a capacidade exigida po cada bateia foi assim fotemente eduzida dos anteioes 185Ah paa os 85Ah, mantendo-se no entanto a autonomia nos 3 dias. Esta edução no consumo implicou também a escolha de uma nova tubina (Ai Industial) com uma potência nominal infeio (400W), o que pemitiu assim enconta uma vedadeia solução híbida (equilíbio de enegias). Po fim, e com base no custo unitáio médio actualizado (Ca), veificamos que a solução híbida encontada paa alimenta um epetido activo em configuação 1+1 (Tabela 7.2) tem um custo infeio de 250 /MWh, face aos actuais 316 /MWh em configuação 1+0. No entanto, o investimento deste último é infeio (-VAL= ) e só faá sentido optamos pela solução 1+1 se fo pevisível que a configuação 1+0 aqui assumida venha a evolui mais cedo ou mais tade paa uma configuação O custo unitáio de cada bateia S12/85A é de apoximadamente

101 7.3 Sistema Baseado na Solução Clássica Nas secções anteioes finalizou-se a análise elativa às 3 pimeias altenativas de podução de enegia à estação emota de telecomunicações, como descito na Tabela 3.5. Petende-se agoa analisa as estantes altenativas e opta-se pela melho solução técnica e económica, seja com base em enegias enováveis, ou podução clássica. Segue-se assim a avaliação da solução ligação à ede pública eléctica, da possível utilização de um geado diesel, e novamente a utilização da linha eléctica mas agoa com objectivo de se eduzi o banco de bateias Avaliação da Solução Ligação à Rede Pública Eléctica Facilmente se pecebe que o investimento em enegias enováveis analisado nas secções anteioes paa alimenta a nossa estação emota está fotemente dependente da distância onde se enconta o amal de acesso mais póximo em baixa tensão. Segue-se assim uma análise económica compaativa ente os custos de se instala uma linha de baixa tensão até a estação emota, incluindo a factua a paga à ede pública eléctica duante o tempo de vida útil do empeendimento, e os custos obtidos na Tabela 7.2 da solução híbida em São Pedo Velho. Da secção 2.4, onde se fez uma abodagem supeficial do tanspote e distibuição da enegia, estimou-se que o custo médio de um cabo toçada de baixa tensão onda os 12 po meto em instalações de dificuldade média. Uma vez que são espeadas complicações na passagem da linha à estação emota, poque esta se enconta numa localização de difícil acesso, iemos assumi um custo médio de 15 po meto. Quanto ao custo mensal da enegia eléctica a paga à ede pública ao longo do tempo de vida útil do empeendimento, vamos ecoe ao fonecedo EDP 23 que sugee paa aplicações de baixo consumo a utilização de taifas em baixa tensão até 2,3 kva [15], e dento desta gama, a potência a contata que mais se adequa coesponde à taifa simples de 1,15 kva (da Tabela 7.2: 6,24MWh/8760h=0,71kW). A Tabela 7.8 esume assim os encagos mensais de se contata a potência 1,15 kva à EDP paa o fonecimento enegético à nossa estação emota. Tabela 7.8 Taifa Simples 1,15 kva de Potência Contatada Taifáio 2009 Taifa Simples 1,15 kva de Potência Contatada Taifáio 2009 Encagos de Potência Contatada [ /Mês] 2,05 Peço da Enegia [ /kwh] 0, Enegias De Potugal 88

102 Donde facilmente se deduz a taifa a paga no final do pimeio ano, ainda não consideando a taxa de actualização, T 12 cons = ( 2,05 + E mês 0,1151 ) Euos ano1 743 m m= 1 Equação 7.14 Em que E cons mês m coesponde à enegia consumida pela nossa estação emota de telecomunicações, em cada mês; aqui assumimos se igual à enegia poduzida da solução híbida em São Pedo Velho (Ea=6,24MWh, Tabela 7.2). Devemos agoa calcula o valo total da taifa paa o tempo de vida útil do empeendimento (20 anos) com base na taxa de actualização (5%), ou seja 24, T Total 20 = T ano1 j j= 1 (1 + a) T = T 20 (1 + a) 1 20 a(1 + a) Total ano Euos Equação 7.15 Nota que, a altenativa 4 da Tabela 3.5 aqui em análise envolve também um conjunto de bateias a funciona como potecção, isto é, em caso de falha da linha eléctica deveá actua o banco de bateias, além de que são muito úteis na absoção de distúbios elécticos potegendo assim a estação emota. Dada a elevada fiabilidade da ede pública eléctica em Potugal devemos eduzi a autonomia do sistema face ao sistema híbido dimensionado, e com isso diminui o investimento. Admitamos assim, 6 hoas de autonomia com a utilização de bateias da mesma maca Sonnenschein [13] e o modelo S12/17 G5 com custo apoximado de 80 cada. Seguindo o mesmo aciocínio do sistema híbido, devemos assim adiciona 827 paa adquii o banco de bateias (4 x S12/17 G5, substituídas de 5 em 5 anos), mais 250 paa adquiimos o conveso AC/DC a liga ente a ede pública eléctica de baixa tensão (AC) e a estação emota (DC). Relativamente a este último, pode-se-ia utiliza o modelo PBDR480S48- A de 480W comecializado pela powebox [14]. Quanto aos encagos de opeação e manutenção vamos despezá-lo uma vez que esta solução é constituída de eduzidas componentes (abdica dos painéis e das tubinas). O investimento inicial actualizado vem assim dado po, bat I i = C total + C AC / DC = Euos Equação Com base nos conceitos dados nas Equação 7.4 e Equação 7.6 e admitindo peços constantes 89

103 Adicionando agoa os custos do investimento inicial, da constução da linha eléctica de baixa tensão, e da taifa total, e uma vez que pocuamos pecebe a pati de que distância o investimento na solução híbida em São Pedo Velho se tona entável face à ligação à ede pública eléctica, a distância mínima vem assim dada po: L min C = I 15 T Hibida Total i Total = 605, m Equação 7.17 Em que Tabela 7.2. Híbida CTotal coesponde ao custo total da solução híbida (-VAL) dado na Concluímos assim que, paa distâncias acima dos 600 metos apoximadamente ente a estação emota de telecomunicações e a ede pública eléctica, a aposta no investimento da solução híbida em São Pedo Velho dada na secção tona-se mais entável, e potanto deve se a opção a toma. Mais, é pouco povável que as localizações destas estações emotas tenham o amal de acesso de baixa tensão acessível a menos de 600m, o que efoça a decisão de se opta pela solução híbida Avaliação da Utilização de um Geado Diesel Vejamos agoa com mais detalhe a altenativa 5 da Tabela 3.5, ou seja, exactamente a situação da secção anteio mas consideando adicionalmente um geado diesel. Como mencionado na secção 3.2.1, a utilização deste sistema deve faze-se, apenas e só, como sistema edundante onde o fonecimento eléctico é inceto, e onde nem o banco de bateias consegue da esposta. Após algumas pesquisas a fabicantes de motoes diesel, também designados de geadoes a gasolina ou a diesel, veifica-se que o fonecedo GenPoweUsa [16] detém uma extensa gama destes podutos. Tendo em consideação a odem de potência equeida pela nossa caga (apoximadamente 360W - Tabela 3.3), identificaam-se assim os seguintes geadoes que coespondem às menoes potências disponibilizadas po este fonecedo: Tabela 7.9 Geadoes a Gasolina e a Diesel do Fonecedo GenPoweUsa Gama KIPORGENERATOR KGE2000Ti KIPORGENERATOR KGE3500Ti SDMOGENERATOR DX450 Potência Autonomia Peço Combustível [kw] [h] Apox. 2 Gasolina ,5 Gasolina Diesel 10,

104 Emboa os peços sejam convidativos paa as potências apesentadas, estes sistemas apesentam uma autonomia extemamente eduzida paa a aplicação em questão onde se exige uma podução constante de enegia. Além de que, não é de todo exequível tanspotamos diaiamente combustível paa alimenta este geado. A opção de se instala um enome depósito de combustível também não é aceitável, seja pelo investimento, ou po azões ambientais. Nota ainda que esta solução acaeta manutenção egula a zonas po vezes muito totuosas, como é o caso das estações emotas de telecomunicações. Podemos conclui assim que a altenativa 5 não é solução em Potugal uma vez que a anteio, constituída pela linha eléctica e bateias, satisfaz com fiabilidade a alimentação da nossa estação emota de telecomunicações. No entanto, em Países como Moçambique a opção deveia se a sua utilização, com um custo adicional (elativo à secção anteio) do geado a gasolina, ou a diesel, e pelo menos mais um contolado (electónica de potência) que faça actua o geado quando necessáio Utilização da Linha Eléctica com Redução do Banco de Bateias Petende-se agoa pecebe até que ponto a utilização da linha eléctica, que se assume esta junto à estação emota de São Pedo Velho, pode eduzi a capacidade do banco de bateias e assim diminui o investimento. Tema este efeente à altenativa 6 da Tabela 3.5, mas aplicável apenas ao sistema híbido descito na secção uma vez que foi identificado como a melho solução dento das 3 pimeias altenativas de podução. Assumindo assim o sistema híbido descito na secção 7.2.1, a implementação da linha eléctica ao sistema exigiá ainda o conveso AC/DC de ligação ente a ede eléctica e a estação, e a taifa a paga à EDP duante o tempo de vida útil do empeendimento. Nota que, e compaativamente à análise efectuada na secção 7.3.1, a taifa a paga aqui coesponde essencialmente ao encago da potência contatada uma vez que se espea que o sistema híbido seja enegéticamente autónomo. Passa-se assim a dispo de 2 sistemas de edundância (bateias e linha eléctica), sendo que, podemos eduzi a autonomia do sistema elativo às bateias paa apenas 6 hoas (utilizando o mesmo modelo S12/17 G5 da secção 7.3.1), sem peca de fiabilidade. A actuação de toda a autonomia coespondeá a uma situação em que não há qualque enegia a se poduzida pelo sistema híbido, e a linha eléctica está em baixo, o que é muito pouco povável acontece. Seguindo o mesmo pocedimento da ligação à ede pública eléctica (secção 7.3.1), devemos assim adiciona 827 paa adquii o banco de bateias (4 x S12/17 G5, substituídas de 5 em 5 anos), mais 250 paa adquiimos o conveso AC/DC, mais a factua a paga à EDP apenas elativa ao encago de potência contatada. Mais uma vez, e po simplificação de cálculo, despezamos os encagos de opeação e manutenção sobe estas componentes, donde esulta: 91

105 bat lin bat I i = C total + C AC / DC = Euos + 25 lin + bat bat + lin C total = I i + Tcont = = Euos Equação 7.18 Fazendo nova simulação no ficheio Dimensionamento_Enegético.xls em anexo (secção 9.2.1) paa um amazenamento nulo, uma vez que está contemplado no cálculo anteio, o sistema híbido seleccionado (secção 7.2.1) apesenta assim um investimento actualizado (- VAL) de 9.852, que ao se adicionado ao anteio esulta num total de , fancamente infeio ao valo encontado paa o sistema híbido sem ligação à ede eléctica ( ). Donde se conclui que, a utilização da linha eléctica nesta solução eduz fotemente o sistema de amazenamento que coesponde nomalmente a maio fatia do investimento, sendo potanto economicamente melho solução desde que a linha eléctica esteja junto à estação emota de telecomunicações. Obviamente, e como se veificou na secção 7.3.1, se tivemos que constui uma linha de baixa tensão a uma distância supeio a 600m, a solução técnica e economicamente mais entável é a da utilização isolada do sistema híbido descito na secção Utilização do Sistema Híbido Dimensionado em Micogeação Entende-se po micogeação um sistema isolado e independente que poduza enegia paa a ede pública eléctica até um deteminado nível de potência, baseado em enegias enováveis, e que disponha de um contato de compa de electicidade em baixa tensão [5]. Emboa o sistema híbido dimensionado (secção 7.2.1) tenha tido como base a alimentação de uma estação emota de telecomunicações, e potanto, foa do âmbito da micogeação, é inteessante pecebe até que ponto seia entável instalamos a nossa solução híbida em nossas casas e apoveita assim a legislação em vigo descita na secção 2.6. Comecemos po calcula a taifa emuneatóia que dento da potência geada pelo nosso sistema híbido (da Tabela 7.2: 6,24MWh/8760h=0,71kW) nos situa no egime bonificado (no máximo 3,68kW paa potências de ligação até 50% da potência contatada). Esta bonificação aplica-se-á duante 5 anos após início de podução, e duante um peíodo adicional de 10 anos vamos assumi uma edução de 5% na TUR, admitindo que em todos os anos são atingidos 10MW adicionais de potência de ligação a nível nacional. Após os 15 anos aplica-seá o egime geal uma vez que pojectamos o sistema paa um tempo de vida útil de 20 anos. Mais, a legislação obiga paa acesso ao egime bonificado que sejam instalados colectoes 2 solaes témicos paa aquecimento de água (mínimo 2 m de áea), que neste execício vamos admiti já existentes; até poque toda a nova constução de habitação a pati de 2009 obiga à existência dos efeidos colectoes a bem da eficiência enegética. 25 Mesmo esultado obtido na Equação

106 Recoendo à Equação 2.1 e uma vez que estamos peante um sistema híbido (sola, eólico), esulta paa a taifa bonificada a aplica nos 5 pimeios anos, LMEPS TUR PS + 70% LMEPE TUR PE TV = 466Euos/ MWh LME P + LME P PS S PE E Equação 7.19 Onde PS PE = 185Wp x 6 Painéis = 1,11 kwp = 0,9 kw x 2 Tubinas = 1,8 kw LMEPS LMEPE = 1,65 MWh = 4,59 MWh TUR = 617,5 /MWh Relativamente aos últimos 5 anos e ecoendo ao taifáio em vigo paa instalações de consumo em baixa tensão com potências até 20,7 kva [15], devemos opta po uma potência contatada de 3,45 kva uma vez que coesponde à potência mínima dento da melho das 2 taifas possíveis, ou seja, o custo da enegia é assim de 121,1 /MWh. Conhecida a enegia anual poduzida, 6,24MWh, facilmente se extaí a eceita anual buta que deve se actualizada a pati dos pimeio ano de podução com base na taxa de actualização (5%). A implementação do sistema híbido dimensionado (Tabela 7.2) implica ainda a inclusão de um inveso DC/AC de foma a ligá-lo a ede pública eléctica. Novamente, o fabicante SMA detém váios modelos de invesoes (Gid-Tied) que paa os equisitos do nosso sistema optaemos pelo Sunny Boy 700U [14] de vesão euopeia (220V a 60Hz) e com custo a onda os 800. Relativamente ao banco de bateias, e uma vez que nesta solução qualque valo de enegia poduzida é enviada paa a ede pública e factuada, devemos elimina o amazenamento e assim eduzi fotemente o investimento. Do ponto de vista de investimento inicial o sistema híbido em micogeação deve assim inclui os custos das componentes fotovoltaicas (5.200 ), das componentes eólicas (2.600 ), e do inveso DC/AC mencionado anteiomente (800 ). Sobe este valo deve ainda incidi 1,5% paa gastos de opeação e manutenção. Recoendo novamente ao ficheio Dimensionamento_Enegético.xls em anexo (secção 9.2.1) e fazendo uso das funções NPV e IRR do Micosoft Excel paa o cálculo do valo actual líquido (NPV) e da taxa intena de entabilidade (IRR), conseguimos geal a Tabela 7.10: 93

107 Tabela 7.10 VAL e TIR do Sistema Híbido em Micogeação MICROGERAÇÃO (Excel@ NPV & IRR) Inv. TUR Ano Receitas Inicial Bat. O&M Cash Flow VAL(NPV) TIR (IRR) 465, , , , ,52 39% 465, ,48-129, , ,39 465, ,48-129, ,48-652,32 465, ,48-129, , ,71 465, , , , ,39 442, ,06-129, , ,25 420, ,91-129, , ,73 399, ,66-129, , ,25 379, ,98-129, , ,36 360, , , , ,92 342, ,00-129, , ,27 325, ,10-129, , ,39 309, ,55-129, , ,00 293, ,07-129, , ,71 278, , , , ,09 121, ,08-129,0 627, ,72 121, ,08-129,0 627, ,00 121, ,08-129,0 627, ,59 121, ,08-129,0 627, ,16 121, ,08-129,0 627, ,32 A Tabela 7.10 mosta-nos assim que o etono do investimento se dá ao 4 ano de opeação do sistema, e que atingido o fim de vida útil do pojecto lucamos com este apoximadamente Este ápido etono no investimento está fotemente ligado ao facto de temos eliminado nesta solução o sistema de amazenamento, e de usufuimos do egime bonificado com uma taifa de venda muito acima do egime geal (466 /MWh face a 121,1 /MWh). Com base no indicado TIR consegue-se também pecebe que este pojecto é de elevada entabilidade, uma vez que VAL=0 veifica-se paa uma taxa de actualização de 39%, podemos potanto exigi mais entabilidade do que aquela que se definiu (5%). Pode-se-ia ainda pensa em aumenta as unidades fotovoltaicas de foma a aumentamos as eceitas no egime bonificado, uma vez que a TUR paa esta tecnologia está definida em 100%, contaiamente à eólica definida em 70%. No entanto, e como exemplificado anteiomente, é uma tecnologia mais caa (maio despesa) e que gea muito menos enegia que a eólica, e potanto menoes eceitas. De salienta que não se assumiam, neste execício, despesas associadas ao facto de estamos ligados à ede pública eléctica e consequentemente à existência de uma taxa de contatação de potência. Isto poque, admitimos, um utilizado já com esse encago po se ele pópio um consumido, com a existência ou não de micopodução. 94

108 8. Conclusões Da análise da podução clássica de enegia, e sistemas com enegias enováveis, identificaam-se as possíveis altenativas de podução de enegia a alimenta uma estação emota de telecomunicações. Dento do estudo dos divesos sistemas de podução clássica existentes ou conhecidos, identificou-se a linha eléctica e o moto diesel (sistema edundante) como os sistemas de tanspote e podução mais indicados paa a nossa aplicação. Po outo lado, e dento das inúmeas enegias enováveis hoje conhecidas e exploadas, optou-se pelos sistemas de podução fotovoltaicos e eólicos uma vez que são os mais indicados paa este tipo de aplicação. Adicionalmente, e de foma a gaanti-se o fonecimento ininteupto de enegia à estação, analisaam-se as possíveis soluções de amazenamento conhecidas, tendo-se assim optado po bateias Chumbo Ácido, Estacionáias, na classe das VRLA. Com base na caacteização do consumo da estação emota, baseada em dados eais, uma vez que é conhecida a implementação física de 4 destas estações emotas (2 epetidoes activos, e 2 epetidoes passivos) e suas localizações (Note Oeste), foi possível taça o pefil de caga e confontá-lo com os divesos sistemas podutoes identificados. Dento da podução enovável concluiu-se que tecnicamente a melho solução seia optamos po um sistema híbido (fotovoltaico e eólico), uma vez que lidamos com fontes natuais de caacteísticas aleatóias, mas independentes ente si. De facto, veificámos que a podução de enegia eólica é em média supeio duante o Inveno, enquanto que no Veão é a fotovoltaica que mais poduz, complementado-se potanto. Mais, da análise da podução eólica mensal veificámos que esta é mais egula duante os váios meses do ano, ao contáio da fotovoltaica que é bem mais iegula e com meses muito desfavoáveis do ponto de vista enegético. Da avaliação económica de investimentos, tendo como base um tempo de vida útil de 20 anos, veificou-se que a solução dento das enegias enováveis com meno custo médio unitáio actualizado (Ca) é aquela que utiliza apenas aeogeadoes (tubinas), mas tecnicamente e como foi efeido, há todo o inteesse em combina estas duas fontes de enegia, eólica e fotovoltaica; donde, a solução híbida final que satisfaz as necessidades enegéticas da nossa estação de telecomunicações ( E ConsSist a 3, 76MWh = ), localizada em São Pedo Velho (Miandela), e com meno custo médio unitáio actualizado (250 /MWh), é composta po 2 tubinas Whispe 100, 6 painéis fotovoltaicos PV 185-M, e 4 bateias SB12/185A que gaantem uma autonomia do sistema em 3 dias, a seem substituídas de 5 em 5 anos. Esta combinação de componentes em aquitectua DC-Coupled, uma vez que a caga é alimentada po uma coente contínua (-48V), coesponde a uma enegia fotovoltaica poduzida (1,65MWh) que é sensivelmente um quato da enegia eólica poduzida (4,59MWh), o que é um bom compomisso do ponto de vista do equilíbio enegético mensal. Economicamente é também uma solução muito inteessante, dado que os painéis fotovoltaicos são ainda de custo elevado e poduzem muito menos enegia do que as tubinas eólicas. 95

109 O valo actual líquido (VAL) deste empeendimento ondou assim os , uma vez que não se consideaam eceitas pois toda a enegia poduzida é consumida pelo nosso sistema. Relativamente à distibuição de custos deste investimento, 27% são dedicados às componentes fotovoltaicas, 16% às componentes eólicas, 16% paa encagos de opeação e manutenção, e finalmente 41% paa o banco de bateias que coesponde de longe à maio fatia do oçamento. Dento desta solução híbida, ainda se avaliou economicamente a substituição dos 2 epetidoes passivos (espelhos), po 2 epetidoes activos, que supeendentemente concluímos que seia mais entável a utilização dos epetidoes activos alimentados com base no nosso sistema híbido. Tendo completado a análise em enegia enováveis, avaliou-se a podução clássica na mesma localização (São Pedo Velho) com base na solução de ligação à ede pública eléctica. Concluiu-se que, a constução de uma linha eléctica em baixa tensão acima dos 600 metos apoximadamente, tona a solução híbida mais entável do que a ligação da estação à ede eléctica pública (EDP). Avaliou-se também a utilização da linha eléctica combinada com o sistema híbido, com objectivo de se eduzi a capacidade do banco de bateias já que este epesenta a maio fatia do investimento. Os esultados mostam que efectivamente é melho solução desde que a linha eléctica esteja junto à estação, caso contáio caímos na situação anteio (entável apenas acima dos 600m). Quanto à solução Geado Diesel (ou gasolina), não é de todo aplicável em Potugal dada a fiabilidade da ede eléctica nacional, uma vez que apenas seve como sistema de backup dada a sua eduzida autonomia (váias hoas) e necessidade de manutenção egula. Países como Moçambique, onde o fonecimento eléctico público é extemamente iegula, a utilização deste sistema edundante assume um papel impotante. Finalizamos, tentando pecebe até que ponto seia entável instalamos a nossa solução híbida em nossas casas e apoveita a legislação em vigo elativa à micogeação. Abdicamos assim do sistema de amazenamento pois toda e qualque enegia poduzida é escoada paa a ede eléctica pública, no entanto devemos inclui um conveso DC/AC pois passamos de um sistema off-gid, paa um on-gid (ligado a ede pública). Uma vez que a legislação bonifica fotemente as enegia enováveis, em paticula a fotovoltaica e eólica de foma a incentiva a aposta nestas enegias altenativas, concluímos que ao 4 ano de opeação atingimos o etono do investimento (VAL=1.749 ), e que ao fim do tempo de vida útil do pojecto (20 anos) atingimos uma elevada taxa intena de entabilidade (TIR=39%). Paa além da viabilidade económica dos pojectos elacionados com enegias altenativas, é impotante ete que estes apesentam vantagens ambientais impotantes com a edução de emissões CO 2, contibuindo assim paa um desenvolvimento mais sustentável da sociedade actual e futua. 96

110 8.1 Pespectivas de Tabalho Futuo O estudo apesentado baseou-se num complexo cálculo concentado numa folha de Excel com múltiplos paâmetos de entada, desde caacteísticas de fabicantes, a potenciais fotovoltaicos e eólicos, tonando assim a aplicação (Excel) difícil de gei. Sugee-se assim o desenvolvimento de um pogama em Web Based (JAVA) que pemita insei múltiplos equipamentos de fabicantes elacionados com as caacteísticas fotovoltaicos, eólicas, bateias, etc., possivelmente utilizando ficheios em XML. Adicionalmente, deveá se possível insei o potencial eólico e fotovoltaico da localização desejada, ou ainda melho, pemiti que o pogama extaia esses dados de uma foma automática de um qualque sevido público. O utilizado deveá assim, de uma foma simples, efectua múltiplas simulações veificando quais os esultados e difeenças ente elas, onde o pópio pogama podeá sugei qual a melho altenativa paa uma deteminada aplicação, apoiando assim o utilizado na decisão quando à melho solução. Sugee-se então este tabalho, não só na vetente off-gid (sistema isolado) como em ongid, apoveitando a legislação de Micogeação em vigo e avaliando assim a entabilidade do investimento. Dada a elevada bonificação da Micogeação é espeado uma elevada pocua destes sistemas (híbidos), e consequentemente a necessidade de temos uma boa feamenta de planeamento. 97

111 9. Refeências e Anexos 9.1 Refeências Bibliogáficas [1] Casto, Rui M. G., Intodução à Enegia Fotovoltaica, Enegias Renováveis e Podução Descentalizada, IST, Edição 3, Maio [2] Casto, Rui M. G., Intodução à Enegia Eólica, Enegias Renováveis e Podução Descentalizada, IST, Edição 4, Maço 2009 [3] Casto, Rui M. G., Enegia Eólica - Anexo, Enegias Renováveis e Podução Descentalizada, IST, Maço 2009 [4] Casto, Rui M. G., Beve Caacteização do Sistema Eléctico Nacional, Enegias Renováveis e Podução Descentalizada, IST, Edição 0, Feveeio 2009 [5] Casto, Rui M. G., Intodução à Avaliação Económica de Investimentos, Enegias Renováveis e Podução Descentalizada, IST, Edição 5, Feveeio 2009 [6] Matins, Nuno Luís Paulino, Sistema Integado de Podução e Amazenamento de Enegia a pati de Fontes Renováveis - Autonomização de uma Povoação de 150 Habitantes, IST, Dezembo [7] A Enegia Eléctica, [8] Potal da Enegias Renováveis, [9] SRA4 Micowave Radio Synchonous adio fo split applications (Bochuas) ; Ficheios: SRA4_Bochue.pdf ; SRA_4_Datasheet.pdf; MicoWave_Netwok.ppt [10] LoboSola, pdf ; Ficheios: DB_MO_SW_80_mono_R5E_2007_05_en1.pdf; enewis_pv155etc_mono_potugues.pdf [11] EOLOS - Base de Dados do Potencial Enegético do Vento em Potugal Ficheios: eolos_v2000.zip ; eolos_v2000.txt [12] Southwest Windpowe, Ficheios: AiX_Industial_Bochue_5-06.pdf ; 0054 REV E - AIR Industial Manual - Uneg.pdf ; 3-CMLT _whispe_bochue.pdf; 0211_REV_C_w100_Manual_w_Contolle.pdf ; 3- CMLT _Whispe_spec.pdf ; 0023_REV_C_w500_maual.pdf ; 3-CMLT _Whispe_spec.pdf 98

112 [13] EXIDE Sonnenschein, &cl=np_bands Ficheio: tech_sonnenschein_sola_oveview_en.pdf [14] DC- Coupled: SMA, Ingecon, Powebox, DRA Ficheios: Ingecon_Hybid_B.pdf ; SI4248U_Flye_ pdf ; AC_DC_Convetes_PBDR_powebox.pdf ; SUNNYBOY700-DUS pdf ; SB700U-11- SE3207.pdf [15] EDP, Taifáios 2009, iffs_upto_2.3.htm Ficheio: AF_edp_taifaios2009_AZUL_6_16 jan[1].pdf [16] GenPoweUsa; Ficheios: 2KWKIPORGENERATOR_KGE2000Ti_Gasolina_4Hoas_650Euos.pdf ; 3.5KWKIPORGENERATOR_KGE3500Ti_Gasolina_5Hoas_850Euos.pdf ; 4KWSDMOGENERATOR_DX4500_Diesel_10.9Hoas_1100Euos.pdf [17] RetSceen Intenacional Empoweing Cleane Enegy Decisions Ficheio: RETSceen4.exe 9.2 Anexos Pevisão da Podução Fotovoltaica, Eólica, Híbida, e Avaliação Económica Dimensionamento_En egético.xls 99