DESENVOLVIMENTO DE APLICATIVO COMPUTACIONAL PARA ENSINO DE ENERGIAS RENOVÁVEIS: DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS EÓLICOS E FOTOVOLTAICOS

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1 DESENVOLVIMENTO DE APLICATIVO COMPUTACIONAL PARA ENSINO DE ENERGIAS RENOVÁVEIS: DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS EÓLICOS E FOTOVOLTAICOS Jorge A. Villar Alé (1) ; Vicente André Paludo (2) Pedro André Marozzin (3) Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul - PUCRS Faculdade de Engenharia - Depto. de Engenharia Mecânica e Mecatrônica Núcleo Tecnológico de Energia e Meio Ambiente - NUTEMA Avenida Ipiranga 6681, Prédio 30, Sala 273; CEP ; Porto Alegre, Rio Grande do Sul - Brasil - Caixa Postal 1429 Fax: Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul - PUCRS Faculdade de Engenharia - Depto. de Engenharia Mecânica e Mecatrônica Núcleo Tecnológico de Energia e Meio Ambiente - NUTEMA Avenida Ipiranga 6681, Prédio 30, Sala 273; CEP ; Porto Alegre, Rio Grande do Sul - Brasil - Caixa Postal 1429 Fax: Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul - PUCRS Faculdade de Engenharia - Depto. de Engenharia Mecânica e Mecatrônica Núcleo Tecnológico de Energia e Meio Ambiente - NUTEMA Avenida Ipiranga 6681, Prédio 30, Sala 273; CEP ; Porto Alegre, Rio Grande do Sul - Brasil - Caixa Postal 1429 Fax: Resumo: No presente trabalho descreve-se a metodologia para o dimensionamento de sistemas eólicos e fotovoltaicos autônomos utilizando uma ferramenta computacional desenvolvida em ambiente Windows. Tal ferramenta poderá ser utilizada para ensino do aproveitamento das fontes de energia renováveis solar e eólica. O aluno de graduação poderá, contando com o adequado embasamento teórico, dimensionar e selecionar sistemas eólicos e fotovoltaicos. O programa conta com opções para que o usuário defina o tipo de terreno e as propriedades atmosféricas locais. Além disto, permite determinar o fator de forma e fator de escala os quais são importantes para descrever os tipos de distribuição de freqüência do vento. O aplicativo possui um banco de dados que apresenta a curva de potência de diversas turbinas eólicas comerciais. Para o dimensionamento de sistemas fotovoltaicos se requer informação dos recursos energéticos locais, utilizando a radiação diária média mensal incidente sobre os módulos fotovoltaicos. O programa apresenta um banco de dados com informações de catálogos comerciais tais como tensão, corrente e potência nominal dos módulos. Em função da demanda de energia, dos recursos energéticos e tipos de módulo, dimensiona-se o sistema fotovoltaico satisfazendo as condições do mês crítico e dos outros meses do ano. Palavras chave: Energias renováveis, Energia eólica, Energia solar. EMA - 50

2 1. INTRODUÇÃO Consciente da problemática energética o Núcleo Tecnológico de Energia e Meio Ambiente da PUCRS, tem realizado diversas atividades na área de energia solar e energia eólica. Foram, por exemplo, realizados estudos de viabilidade técnico-econômica de tais fontes de energia para a energização rural no RS (ref.[1,2,3]). Da mesma forma foram abordados temas relacionados com o dimensionamento de sistemas eólicos e fotovoltaicos de pequeno porte (ref.[4,5,6]). Além disto foram concluídas dissertações de mestrado abordando o uso de energias renováveis e análise de sistemas híbridos. Tais estudos têm proporcionado a identificação de metodologias para modelagem dos diferentes componentes dos sistema eólicos e fotovoltaicos, apropriadas para o dimensionamento de tais sistemas (ref.[7,8]). Com base em tais estudos tem-se verificado uma carência de ferramentas computacionais para auxiliar no dimensionamento de sistemas eólicos e fotovoltaicos, que sejam de baixo custo e de fácil acesso para a realidade do Brasil. Existem alguns aplicativos e softwares comerciais direcionados unicamente para dimensionamento de sistemas eólicos de grande porte e outros softwares utilizados para o dimensionado de sistemas fotovoltaicos. O desenvolvimento do código computacional proposto permitirá contar com uma ferramenta que auxilie no dimensionamento destes sistemas e na tomada de decisões eficientes quanto à melhor opção no uso dos sistemas eólicos e fotovoltaicos nas regiões energeticamente mais carentes do RS e do Brasil. No presente trabalho é descrito o aplicativo com a finalidade de apresentar seu potencial para ser utilizado como ferramenta de projeto e também como ferramenta didática para o aprendizado do uso de energia renováveis, especificamente quando aborda-se os conteúdos de dimensionamento de sistemas. 2. METODOLOGIA O programa denominado EoluSoft é uma versão preliminar de uma ferramenta computacional que aborda o dimensionamento de sistemas eólicos, fotovoltaicos. O aplicativo permite levantar as informações sobre a demanda de energia considerando o consumo de aparelhos instalados num projeto específico. Com a informação da demanda necessária pode ser abordado o dimensionamento dos sistemas. O programa computacional é desenvolvido em ambiente Windows, utilizando linguagem de programação de alto nível (Delphi). Para análise dos sistemas eólicos são utilizadas informações do recursos eólicos locais onde serão instaladas as turbinas eólicas. Após o dimensionamento do sistema a capacidade do gerador eólico e energia anual gerada pelo equipamento são fornecidas. O código computacional apresenta saídas gráficas necessários para uma análise mais precisa do funcionamento e rendimento do sistema. Na metodologia inclui-se a análise estatística do recurso eólico e fatores de interesse para o dimensionamento, tais como o tipo de terreno, a altura de instalação das turbinas, e potencial eólico da região. Para o dimensionamento de sistemas fotovoltaicos é necessária a informação do recurso energético local, utilizando a radiação diária média mensal incidente sobre os módulos fotovoltaicos. O programa apresenta um banco de dados com informações de catálogos comerciais tais como tensão, corrente e potência nominal dos módulos. Tais fatores são fundamentais para o dimensionamento. Assim, em função da demanda de energia, do recurso energético e tipos de módulos, dimensiona-se o sistema fotovoltaico satisfazendo as condições do mês crítico e portanto dos outros meses do ano. 3. DESCRIÇÃO DO APLICATIVO COMPUTACIONAL A versão do EoluSoft conta basicamente com três módulos: (i) Módulo de levantamento do consumo de energia. (ii) Módulo de dimensionamento e saídas gráficas de sistemas eólicos. (iii) Módulo de dimensionamento e saídas gráficas de sistema fotovoltaico. Cada um dos módulos apresenta uma série de equacionamentos que permitem o dimensionamento dos sistemas Módulo do consumo de energia Para o dimensionamento de um sistema eólico e/ou fotovoltaico é necessário determinar qual o consumo de energia. No âmbito de energização de residências existem vários aparelhos que podem ser utilizados tais como lâmpadas, televisão, geladeira etc. No programa desenvolvido foram selecionados alguns aparelhos. O usuário da ferramenta EMA - 51

3 computacional pode realizar o levantamento do consumo de energia considerando a quantidade de aparelhos, horas de funcionamento por dia, e número de dias por semana de funcionamento. O resultado representa um consumo médio de energia. Considera-se esta análise como a representativa de um mês de maior consumo. Na Fig.1 mostra-se o módulo de consumo de energia que apresenta a versão preliminar da ferramenta computacional em desenvolvimento. Este módulo permite levantar o consumo da(s) residência(s) em estudo. Figura 1. Módulo para levantamento de consumo de energia. 3.2 Módulo do sistema eólico O EoluSoft apresenta outro módulo que pode ser utilizado para o dimensionamento do sistema eólico quando sabemos o consumo requerido para uma dada residência. No módulo foram inseridas sub-rotinas que permitem determinar a distribuição de velocidade do vento a partir da informações fornecidas pelo usuário referente à velocidade do vento local, tipo de terreno e altitude do local em estudo. O programa apresenta um banco de dados com diferentes tipos de turbinas eólicas comerciais que permite determinar a energia gerada utilizando a distribuição da velocidade e a curva de potência da turbina. Existe a opção no programa para que o usuário trabalhe com a distribuição de Weibull ou com a distribuição de Rayleigh. O ambiente de trabalho para o dimensionamento do sistema eólico e um exemplo de saída gráfica é apresentado nas figuras a seguir. A Fig.2a apresenta o módulo com a informação do sistemas eólico. A Fig. 2b mostra o ambiente gráfico do aplicativo. Existe a opção gráfica para visualizar a potência da turbina, visualizar a distribuição da velocidade e outros detalhes técnicos necessários. No momento existe uma base de dados limitada de turbinas eólicas, contudo já estão inseridas máquinas de grande porte para uma análise de fazendas eólicas. EMA - 52

4 3.3 Módulo do sistema fotovoltaico (a) (b) Figura 2. Módulo para dimensionamento de sistema eólico O módulo do sistema fotovoltaico do EoluSoft permite o dimensionamento do sistema fotovoltaico a partir de informações básicas do usuário. O usuário define a localidade em estudo do RS e o programa utiliza sub-rotinas e banco de dados procurando para a localidade qual é a radiação solar diária média mensal. O usuário também pode selecionar qual o fabricante e tamanho do módulo fotovoltaico a ser utilizado. Com tal informação e com o cálculo prévio do consumo de energia, o programa realiza o dimensionamento do sistema para cada mês do ano especificando-se finalmente o número de módulos fotovoltaicos para o mês crítico. Na Fig.4a e Fig.4b apresenta-se a estrutura da versão preliminar do programa em desenvolvimento. (a) (b) Figura 4. Módulo para dimensionamento de sistema fotovoltaico 4. EXEMPLO DE UTILIZAÇÃO DO APLICATIVO O EoluSoft tem sido testado para dimensionamento de sistemas eólicos e fotovoltaicos utilizando informação dos recurso energético do RS. Um caso típico de dimensionamento de sistema autônomo é dado a seguir. Escolhemos uma EMA - 53

5 localidade do RS com deficiência de energização rural. Levantamento do recurso eólico nesta localidade apresenta uma velocidade média anual (a 10 metros de altura) de 5,0 m/s com uma distribuição de Weibull com fator de forma k=2,19 e fator de escala c=5,76m/s. Para a mesma localidade contamos com informação de radiação solar para os doze meses do ano. Tomamos como exemplo um caso com necessidade energética de uma residência no meio rural que disponha de 04 lâmpadas de 20W, um rádio, uma TV colorida e dois ventiladores. Entrando no módulo de consumo do EoluSoft determinase a demanda média diária mensal requerida que neste caso é igual a 1455 Wh conforme mostrado na Fig.1, representando uma demanda de energia média anual de 532kWh. Com tal informação o usuário entra no módulo do sistema eólico (Fig. 2) o qual apresenta automaticamente a demanda de energia média anual calculada. Neste módulo deve-se inserir no programa a informação da velocidade média (v) o fator de forma (k) e fator de escala (c). O programa determina a massa específica do ar no local devendo ser dada informação da temperatura média e se o local encontra-se a nível do mar o acima deste. Para o dimensionamento do sistema eólico se escolhe no banco de dados do programa o tipo de turbina que deseja utilizar. Para nosso exemplo a Fig.2 mostra que foi escolhida uma turbina de 850W a qual tem um diâmetro de 2,4 metros, e que será instalada a 18 metros de altura do solo. Observa-se pela energia gerada com tal turbina (1730 kwh) que a mesma é suficiente para atender a demanda apresentando um excedente de energia de 1199 kwh. Um cálculo mais apurado ficaria por conta do usuário escolhendo uma turbina de menor porte de tal modo que o excesso de energia seja menor e desta forma reduzir o tamanho da máquina e custo do sistema. Para o mesmo exemplo o usuário pode entrar no módulo do sistema fotovoltaico (Fig.4) dimensionando o sistema mais apropriado. Neste módulo também mostra-se ao usuário a demanda de energia média anual do local em estudo. Cabe ao usuário selecionar a tensão de trabalho, tipo e tamanho de módulo fotovoltaico. O usuário seleciona também a localidade do projeto com o qual o programa apresenta do seu banco de dados a radiação diária média mensal (para os doze meses) da localidade para o ângulo de inclinação ótimo. Com esta informação o programa determina o número de módulos fotovoltaicos necessários. No exemplo apresentado o programa especifica 07 módulos fotovoltaicos de 100Wp que permitem atender a demanda de energia equivalente a uma demanda diária média mensal igual a 1455kWh. Como se observa o EoluSoft permite o dimensionamento do sistemas eólicos e fotovoltaicos de maneira direta. Contudo, para uma análise de viabilidade técnica econômica o aplicativo ainda deve ser aperfeiçoado complementando as subroutinas e incluindo outras. 5. CONCLUSÕES O aplicativo em desenvolvimento (EoluSoft) apresenta uma estrutura adequada para o dimensionamento de sistemas eólicos e fotovoltaicos. Contudo trata-se de uma versão preliminar que deve ser aperfeiçoada e complementada permitindo uma análise integrada dos sistemas em estudo, verificando-se os custos e benefícios de cada um dos sistemas para uma tomada de decisões na instalação do sistema mais apropriado, dependendo do recurso energéticos existente. O Eolusoft pode ser utilizado como ferramenta de ensino em cursos de Engenharia onde se abordam tópicos de produção de energia e geração com base eólica e solar. Os alunos poderão realizar estudos de casos típicos de dimensionamento de sistemas analisando qual a opção mais adequada numa determinada localidade. Outras informações sobre o programa encontra-se na página Agradecimentos Agradecemos a Fapergs, Fundação do Amparo a Pesquisa do Rio Grande do Sul pela bolsa de Iniciação Científica concedida. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Alé, J. A. V., Wind and Solar Systems for Rural Eletrification in State of Rio Grande do Sul, Brazil In: Solar Engineering- ASME98, 1998, New Mexico - USA. Solar Engineering- ASME98, v.i. p [2] Alé, J. A. V., García, F. H., Modelamento de Sistemas Hibridos Eólicos-Fotovoltaicos: Estudo de Implementação em Áreas Rurais de Brasil e Cuba In: Congresso Brasileiro de Engenharia Mecânica - COBEM99. Águas de Lindóia SP, Brasil. [3] Alé, J. A. V., Caracterização Técnico Econômica de Sistemas Eólicos e Aplicações Energéticas Locais In: Feira e Congresso de Ar Condicionado, Refrigeração Aquecimento e Ventilação do Mercosul, 1998, Porto Alegre, Brasil. [4] Alé, J. A. V., Giacobbe, L. M., García, F. H., Viabilidade de Pequenos Sistemas Eólicos e Fotovoltaicos para EMA - 54

6 Eletrificação Rural no Rio Grande do Sul In: Congresso Brasileiro de Engenharia Mecânica - COBEM99, Águas de Lindóia - SP. [5] Alé, J. A. V., García, F. H., 1999, Wind and Photovoltaics Atonomous Systems for Rural Electrification in State of Rio Grande do Sul Brazi In: European Wind Energy Conference and Exibition -EWEC99, Nice - França. [6] Krezinger A., et al., Software SOLARCAD. 1997, Laboratório de Energia Solar-UFRGS.. Porto Alegre. Brasil. [7] Lobo R., A. et. al., Rural PV electrification in Minas Gerais-Brasil. CEMIG'S experience and projects. IERE Workshop, Photovoltaic rural electrification and the electric power utility, pp Coyococo, México. [8] Markvart, T., Sizing of hybrid photovoltaic-wind energy systems, Solar Energy, Vol. 57, No. 4, pp EMA - 55

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