PROJETO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS PARA OFERTA DE ENERGIA ELÉTRICA A COMUNIDADES RURAIS

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1 PROJETO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS PARA OFERTA DE ENERGIA ELÉTRICA A COMUNIDADES RURAIS JOSÉ ADRIANO MARINI e LUIZ ANTONIO ROSSI Universidade Estadual de Campinas Faculdade de Engenharia Agrícola Departamento de Construções Rurais e Ambiência Cidade Universitária Zeferino Vaz Distrito de Barão Geraldo - Caixa Postal: 6011 CEP: Campinas SP Brasil - Tel: +55(19) e Fax: +55(19) RESUMO Basicamente, o projeto de um sistema fotovoltaico consiste na determinação da quantidade necessária de módulos para atender uma determinada solicitação de carga elétrica. Invariavelmente, o número de módulos sempre depende de dois fatores: quanto de eletricidade é exigido e quanta radiação está disponível. Ou seja, deve-se buscar compatibilizar a demanda e a oferta. Diante disto, este trabalho procurou tornar possível dimensionar sistemas fotovoltaicos para eletrificação rural de forma fácil, rápida e com racionalização de equipamentos e recursos financeiros, gerando um programa computacional com metodologia e linguagem apropriadas, para auxiliar na análise e no projeto de sistemas destinados ao suprimento de pequenas comunidades rurais isoladas. ABSTRACT The energy supply to isolated rural communities and remote areas has been a constant challenge, mainly in the underdeveloped countries or in development, due to the enormous economical and social disparities and, a lot of times, to the geographical dimensions of these countries. Of this form, the analysis and the project of photovoltaic systems they become the more complex climatic and technical parameters they are considered. Most of the manufacturers of photovoltaic modules and companies that develop projects, it possesses programs complex to aid in the project and selection of the several components of isolated photovoltaic systems. The software was developed in the Visual language Basic and it has the characteristic of being the friendliest possible for use, making possible the accomplishment of projects of photovoltaic systems and economical analysis of the involved equipments in way easy, fast and with rationalization of equipments and financial resources since ready for use is intended for municipal, state government institutions and you federate, rural class entities and agricultural cooperatives. INTRODUÇÃO O suprimento energético a comunidades rurais isoladas e a áreas remotas tem sido um constante desafio, principalmente nos países subdesenvolvidos ou em desenvolvimento, devido às enormes disparidades econômicas e sociais e, muitas vezes, às dimensões geográficas destes países. Possibilitar a cada habitante de uma comunidade o acesso aos bens energéticos (e a outros serviços e benefícios) é uma forma de integração social, distribuição de renda e de encaminhamento nos rumos do desenvolvimento sustentado, em especial quando fontes energéticas renováveis e

2 características técnicas e sócio-econômicas locais são priorizadas. Há algum tempo, os sistemas de suprimento de energia alternativa descentralizados, utilizando recursos renováveis, tem sido empregados no atendimento a comunidades mais isoladas. Vários tipos destes sistemas tem sido relatados por muitos autores, os quais descrevem métodos que demonstram serem aqueles sistemas economicamente viáveis e/ou tecnicamente factíveis. O avanço da tecnologia, principalmente nas áreas solar e eólica, vem criando opções para a geração de eletricidade de forma não poluente. A energia fotovoltaica constitui-se numa solução interessante para áreas remotas com muita radiação solar e sem eletricidade. Os sistemas fotovoltaicos são usados para gerar energia elétrica para instalações de: bombeamento de água, refrigeração, iluminação, telecomunicações, etc. Estes sistemas estão tornando-se, cada vez mais, uma opção interessante à medida que sua confiabilidade aumenta e o custo por watt está diminuído, tornando os, os sistemas fotovoltaicos uma alternativa interessante à rede elétrica para o suprimento de eletricidade a uma diversidade de pequenas aplicações (cargas) em áreas rurais e regiões remotas. Os sistemas fotovoltaicos oferecem muitas vantagens: não possuem partes rotativas, tem longa vida útil, a manutenção é mínima, não gera poluição ou ruído, não requer combustível, exceto o Sol, é modular ou expansível, é leve e fácil de transportar e está disponível o ano todo. Desta forma, a análise e o projeto de sistemas fotovoltaicos tornam-se mais complexos quanto mais parâmetros climáticos e técnicos são considerados. A maioria dos fabricantes de módulos fotovoltaicos e companhias na América do norte e na Europa, que comercializam projetos simples, possuem programas computacionais complexos para auxiliar no projeto e seleção dos vários componentes de sistemas fotovoltaicos isolados. O principal objetivo deste trabalho é gerar um programa computacional, com metodologia e linguagem apropriadas, para auxiliar na analise e no projeto de sistemas fotovoltaicos destinados ao suprimento de pequenas comunidades rurais, de modos fácil e rápido e com racionalização de equipamentos e recursos financeiros. A linguagem computacional escolhida para o desenvolvimento do software, que proporcionará o dimensionamento dos painéis fotovoltaicos para uso em comunidades rurais, é a Visual Basic, que oferece uma interface com características simples, atraente e, principalmente, objetiva, facilitando o trabalho de inserção de dados e da coleta das informações desejadas. MATERIAIS E MÉTODOS O modelo NAD (Número de Dias Autônomos) constitui-se numa metodologia convencional de dimensionamento de sistemas de geração autônomos com armazenamento de energia. Para sistemas fotovoltaicos, através do conhecimento da distribuição mensal da radiação solar incidente no plano coletor, determina-se a potência instalada utilizando a radiação solar média diária do mês menos favorável, ou seja, o mês que apresenta o menor índice de radiação solar, garantindo assim o atendimento da energia diária requerida. A energia gerada pelo painel varia em função do ângulo de inclinação do Sol, e em painéis fixos, sem o rastreamento do Sol, devese calcular o ângulo de inclinação para que receba energia solar de maneira uniforme com o transcorrer do ano. A capacidade das baterias é determinada em decorrência da freqüência dos dias de menor radiação ou da quantidade de dias nublados durante o transcorrer de um período no ano e dos dias de armazenamento desejado Dois métodos de operação dos módulos fotovoltaicos serão indicados pelo programa: a) painéis fixos, sem alteração no ângulo e orientação b) ângulo variável e orientação fixa de acordo com as estações do ano A tabela 1 apresenta as posições recomendadas para maximizar a coleta de radiação solar pelos módulos fotovoltaicos para as duas operações consideradas. Para o primeiro modo, o ângulo e orientação são fixos. Sob estas condições, o ângulo é igual à latitude do local de instalação para maximizar a energia solar coletada pelos módulos fotovoltaicos.

3 Tabela 2: Ângulo e orientação dos módulos solares de acordo com os modos de operação Modos de Operação Ângulo dos Painéis Orientação (graus) Ângulo e Orientação fixos Latitude do local Orientação fixa e ângulo ajustado de acordo com as estações do ano Primavera: latitude do local Verão: latitude do local 15 Outono: latitude do local Inverno:latitude do local +15 A orientação é colocar os módulos voltados para o Sul em locais localizados no hemisfério norte e voltados para o Norte no hemisfério sul. Para o segundo modo, o ângulo é ajustado quatro vezes ao ano. Os ajustes do ângulo mantêm os módulos voltados para o Sol, maximizando a energia coletada evitando os altos custos dos mecanismos que localizam automaticamente o Sol. O método mais difundido para dimensionamento é o do número de dias de armazenamento desejado ou número de dias nublados consecutivos (freqüência máxima). Neste método, a potência instalada, a capacidade de armazenamento das baterias, o número de módulos em série e em paralelo são determinados como a seguir: em que: a) Potência a ser instalada PI = DDT / NH (1) DDT Demanda diária total de energia requerida pelas cargas PI - Potência de painéis fotovoltaicos (kw) NH - Número de horas de máxima radiação solar (h) b) Baterias DA - Número de dias sem radiação solar (dias de armazenamento) DB - Amplitude de descarga das baterias η inv - rendimento do inversor c) Módulos Em Paralelo: onde: NMP = IC / IGP (3) NMP - Número de módulos em paralelo IC - Corrente máxima das cargas (A) IGP - Corrente média gerada nos painéis (A) Em Série: onde NMS = VC / VGP (4) NMS - Número de módulos em série VC - Tensão requerida pelas cargas (V) VGP - Tensão fornecida pelos painéis (V) Número total de painéis: onde NTP = NMP * NMS (5) CAB = DDT DA DB η inv (2) NTP = Número total de painéis a ser utilizado pelo sistema CAB - Capacidade de armazenamento das baterias (kwh)

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO Pelo apresentado, o programa computacional, primeiro objetivo desta dissertação,, teve como finalidade o desenvolvimento de um programa computacional para o projeto de sistemas fotovoltaicos. O projeto do sistema fotovoltaico é desenvolvido baseado nos componentes elétricos presentes na propriedade e seus respectivos consumos energéticos e posteriormente é fornecida uma análise da viabilidade econômica de implantação do projeto e, se for o caso, do tempo de retorno do capital investido baseado nas economias com o uso da rede elétrica convencional. A validação do programa foi feita comparando-se seus resultados com os de outros projetos já instalados e que funcionam satisfatoriamente, além de comparações com outros programas desenvolvidos em outros países. As figuras 1 e 2 mostram, respectivamente, a tela do programa em que é solicitada a entrada de dados e a tela que mostra os resultados finais. Figura 1 - Entrada de dados econômicos e técnicos para o dimensionamento e análise econômica.

5 Figura 2 - Apresentação do dimensionamento do sistema e resultados econômicos envolvendo o projeto. CONCLUSÕES Após sua validação, pode-se constatar que o programa pode vir a ser uma ferramenta útil no projeto e analise econômica de sistemas fotovoltaicos em nosso pais, onde grande parte da população que vive em áreas isoladas não dispõe de qualquer meio de fornecimento energético, principalmente na região norte, onde a irradiação favorece este tipo de geração energética, e que os programas até então disponíveis no mercado ou são muito caros, impossibilitando seu acesso a maioria da população interessada ou requerem um elevado conhecimento técnico para seu uso, o que também inviabiliza seu uso. Pela sua funcionalidade e interface amigáveis, este programa pode vir a difundir o uso da energia fotovoltaica nestas regiões, trazendo consigo melhorias no nível de vida sócio cultural daquelas populações. PALAVRAS CHAVES Energia Fotovoltaica, Programa Computacional, Energização Rural. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq pela bolsa de pesquisa que possibilitou o desenvolvimento deste trabalho. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] BOILY, R., SAWADOGO, A., ROSSI, L.A. Desenho de sistemas fotovoltaicos para comunidades rurais. XXVII Congresso Brasileiro de Engenharia Agrícola. Poços de Caldas MG, [2] COSTA, H. S., COSTA, R.A.L. & ECK, M. Análise econômica comparativa da eletrificação rural comercial e fotovoltaica. In: III Encontro de Energia no Meio Rural, Anais. Campinas. SP 2000 [3] FADIGAS, E. Dimensionamento de fontes fotovoltaicas e eólicas com base no índice de perda de suprimento e sua aplicação para o atendimento a localidades isoladas p. Dissertação (Mestrado) Escola Politécnica - Universidade de São Paulo, São Paulo.

6 [4] HIRSCHEFELD, H. Engenharia Econômica e Análise de Custos. 6 a. ed, São Paulo, Ed. Atlas, 1996, 407 p. [5] RUEGG, R., SAV, G. T. The Microeconomics of Solar Energy. Washington, DC; National Bureau of Standards, [6] ROBERTS, S. Solar Electricity, Prentice Hall, New York, EUA, [7] ROSSI, L. A. Modelo avançado para planejamento de sistemas energéticos integrados usando recursos renováveis. Tese de Doutorado. p.180. Escola Politécnica-USP. São Paulo [8] WANG, W. Visual Basic 6 For Dummies, Ed. Campus, Petrópolis, RJ, p. 532, 2000

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