SISTEMA INTEGRADO DE PRODUÇÃO E ARMAZENAMENTO DE ENERGIA A PARTIR DE FONTES RENOVÁVEIS

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1 Isa SISTEMA INTEGRADO DE PRODUÇÃO E ARMAZENAMENTO DE ENERGIA A PARTIR DE FONTES RENOVÁVEIS Autonomização de uma Povoação de 150 Habitantes Nuno Luís Paulino Martins Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores Júri Presidente: Professor Doutor Gil Domingos Marques Orientador: Professor Doutor João José Esteves Santana Vogal: Engenheiro Luís Fernando Bastos (Siemens) Dezembro de 2007

2 RESUMO A presente dissertação descreve e dimensiona um sistema autónomo de energia eléctrica baseado em fontes de energia renováveis. Nesse sentido, foi caracterizado o consumo da população que o sistema pretende abastecer. O consumo anual foi estimado a partir de uma análise do consumo de energia em Portugal Continental. De modo a efectuar um dimensionamento mais preciso dos sistemas de produção e armazenamento, foi caracterizada a evolução do consumo ao longo do ano através dos perfis iniciais de consumo fornecidos pela ERSE. A evolução do consumo em IP foi obtida a partir das informações de dia claro e escurecer fornecidas pelo Observatório Astronómico de Lisboa. Posteriormente, foi analisado o potencial eólico e solar em Portugal Continental. De onde se concluiu acerca da localização mais favorável à instalação deste projecto: o concelho de Vila do Bispo, no Algarve. Com base nos dados referentes à disponibilidade dos recursos eólicos e solares na região seleccionada, foram dimensionados os sistemas de Produção (Turbina Eólica e Painéis Fotovoltaicos), de Armazenamento (Baterias de Chumbo-Ácido VRLA) e, por fim, os sistemas electrónicos de conversão e controlo do sistema. Com base nos equipamentos seleccionados, elaborou-se um esboço da arquitectura prevista para a solução encontrada. Seguidamente, foi avaliado o desempenho dos sistemas dimensionados, através da análise do balanço horário anual entre o consumo esperado e a produção prevista nos meses mais exigentes do ponto de vista energético. Por último, procedeu-se à avaliação económica do investimento em causa e compararam-se dois cenários alternativos ao proposto pelo projecto desenvolvido a ligação do sistema à rede e eliminação do sistema de armazenamento, e procedeu-se ao cálculo da distância à rede de energia a partir da qual o projecto em estudo se torna viável em relação à instalação de uma linha de transporte de energia. Palavras-Chave: Sistemas híbridos, Off-Grid, Energias Renováveis, Eólica, Fotovoltaica, Baterias estacionárias. ii

3 ABSTRACT The present thesis describes and develops an autonomous energy system based on renewable resources. For that purpose, the consumption of the population in study was characterized. The annual consumption was estimated through the analysis of the energy consumption in Portugal Continental. In order to realize an accurate dimensioning of the production systems, the evolution of the consumption throughout the year was characterized by the initial profiles of consumption provided by ERSE. The evolution of IP consumption was obtained from the information of the time of day on the sunshine hours and dark hours obtained from the Observatório Astronómico de Lisboa. Subsequently, the aeolian and the photovoltaic potentials in Portugal Continental were analysed. From this analysis, it has been concluded that the suitable location to install this project is the region of Vila do Bispo. Based on the data referring to the natural resources in that region, the production systems (Aeolian Turbine and Photovoltaic panels), the storage system (Lead-Acid batteries) and the electronic equipment were dimensioned. With the equipment selected, a draft for the system architecture has been made. The architecture having been determined, the system performance was evaluated through the analysis of the monthly hourly balance between the energy consumed and produced in the month identified as the less favorable in what regards to the production or consumption. Finally, an economical evaluation of the investment in consideration has been made, and two alternative scenarios have been economically analysed: the system connection to the grid (aborting the storage system) and the comparison between the installation of this project and the construction of an energy transport line. Key-Words: Renewable Energy, Off-Grid Systems, Photovoltaic, Wind, Stationary Battery, Hybrid Systems, Stand Alone system. iii

4 AGRADECIMENTOS Este trabalho é o concluir do percurso efectuado no IST durante o qual várias pessoas foram importantes e por isso directa ou indirectamente deram o seu contributo para o mesmo, a todas elas obrigado! Em especial: Ao Professor Doutor João Santana pela coragem em aceitar este trabalho, pela experiência, entusiasmo, orientação e contagiante boa disposição, ao Eng. Luís Bastos pela sugestão, pelo apoio durante todas as fases do desenvolvimento do projecto, pela demonstração da realidade e pelo seu espírito activo, visionário e empreendedor, ao Professor Doutor Rui Castro pela inigualável disponibilidade e simpatia, ao Eng. Paulo Costa do INETI pelos dados disponibilizados, ao Eng. Paulo Oliveira da ERSE pelos esclarecimentos prestados. Ao Pai e à Mãe pelo incansável, incondicional e infindável apoio e paciência. À Raquel pelo rigor e paciência durante a correcção desta tese e pela amizade, à Marta pelo apoio Logístico e ao resto da família por estarem por cá! À Matilde pela compreensão, obrigado por teres aparecido! Aos Amigos Luís Camacho, Miguel Torrado, Filipe Serra, Bruno Ribeiro, Ricardo Sousa, aos amigos da Sala do Vasco, aos amigos da Secção de Energia que ajudaram a tornar esta caminhada mais fácil e inesquecível! iv

5 ÍNDICE Resumo... ii Abstract... iii Agradecimentos... iv Lista de Quadros... viii Lista de Figuras... ix Lista de Siglas... xi Lista de Símbolos... xii Condições de Referência (Condições Normais de Teste)... xv 1. Introdução Estrutura da Dissertação Caracterização do Consumo Número de Clientes Consumo Anual Consumo Anual da População Consumo Anual em Iluminação Pública Actualização dos Valores do Consumo tendo em Consideração o seu Aumento Análise da evolução horária do Consumo Anual Evolução do Consumo da População Evolução do Consumo em Iluminação Pública Localização do Projecto Potencial Fotovoltaico Potencial Eólico Produção Produção Anual de Energia Eólica Utilização anual da Potência Eólica Selecção da Turbina e da Potência Eólica a Instalar Previsão da produção eólica usando um modelo de vento Quase-Estacionario [8] Produção Anual de Energia Fotovoltaica Tracker s v

6 Painéis Fotovoltaicos Utilização anual da Potência: Fine-Tunning System (Siemens) Identificação das Situações Menos Favoráveis do Ponto de Vista da Produção Recurso Fotovoltaico Recurso Eólico Valor horário da Energia Eólica Produzida em Janeiro e Maio Valor horário da Energia Fotovoltaica Produzida em Janeiro e Maio Modelo Matemático da Célula Fotovoltaica [13] Módulos Fotovoltaicos [13] Modelo Simplificado [13] Balanço Energético nas situações menos favoráveis Balanço Mensal Balanço Diário e Horário Armazenamento Escolha do sistema de armazenamento Água Pilhas de combustível Baterias Selecção das Baterias a utilizar Dimensionamento da Capacidade Total de Armazenamento das Baterias Selecção da Arquitectura e dos Equipamentos de Electrónica de Potência a Utilizar Arquitectura AC-Coupled Arquitectura DC-Coupled Arquitectura do Sistema em Estudo Dimensionamento das Strings Fotovoltaicas Dimensionamento do Banco de Baterias Diagrama de Blocos do Sistema Dimensionado Fotovoltaica Banco de Baterias Eólica vi

7 Consumo Análise do desempenho do Sistema Avaliação Económica Estrutura de Custos da Tarifa de Venda de Energia a Clientes Finais Caso em Estudo Custos Proveitos VAL e TIR Preço do que Torna o Investimento Rentável Sistema de Produção em Estudo, Sem Sistema de Armazenamento, com Ligação à Rede da EDP Custos Proveitos VAL e TIR Preço do que Torna o Investimento Rentável Comparação entre a Instalação deste Projecto e a Instalação de Uma Linha de Transporte de Energia Conclusões Perspectivas de Trabalho Futuro Referências bibliográficas Anexos Anexo A1. Características Técnicas da Turbina Eólica Eoltec da Gama Chinook Anexo A2. Preços da Turbina Eólica Eoltec da Gama Chinook Anexo B. Características Técnicas dos Trackers Dagerenerge da série DEGERtraker 5000NT/7000NT Anexo C. Características Técnicas do Painel Fotovoltaico LoboSolar LS Anexo D. Características Técnicas das Baterias Classic Series OpzS Solar Anexo E. Características Técnicas do Sistema Ingecon Hybrid vii

8 LISTA DE QUADROS QUADRO 2.1 DIMENSÃO MÉDIA DA FAMÍLIA EM PORTUGAL [1]... 3 QUADRO 2.2 NÚMERO DE CLIENTES POR OPÇÃO TARIFÁRIA (BTN 20.7 KVA)... 4 QUADRO 2.3 POTÊNCIAS CONTRATADAS E ENERGIA CONSUMIDA ANUALMENTE POR CLIENTE... 6 QUADRO 2.4 ENERGIA CONSUMIDA ANUALMENTE POR OPÇÃO TARIFÁRIA [2]... 6 QUADRO 2.5 ENERGIA CONSUMIDA ANUALMENTE E RESPECTIVA ACTUALIZAÇÃO QUADRO 2.6 DISTRIBUIÇÃO DOS CLIENTES E ENERGIA TOTAL POR PERFIL... 9 QUADRO 2.7 VALORES MÁXIMOS E MÉDIOS MENSAIS E DIÁRIOS QUADRO 2.8 DADOS REFERENTES AO CONSUMO QUADRO 4.1 CARACTERÍSTICAS QUE DISTINGUEM AS TURBINAS EOLTEC DA GAMA CHINOOK QUADRO 4.2 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DO PAINEL SOLAR LS 200 DA LOBOSOLAR QUADRO 4.3 ESTIMATIVAS INICIAIS DA ENERGIA CONSUMIDA, A PRODUZIR, POTÊNCIA A INSTALAR E UTILIZAÇÃO ANUAL DA POTÊNCIA QUADRO 4.4 VALORES DE RADIAÇÃO MÉDIA MENSAL NO CONCELHO DE VILA DO BISPO QUADRO 4.5 DEFICIT DE ENERGIA MAXIMO EM JANEIRO E MAIO QUADRO 5.1 CARACTERÍSTICAS DE CADA TIPO DE PILHAS DE COMBUSTÍVEL [16] QUADRO 5.2 APLICAÇÃO DAS PILHAS DE COMBUSTÍVEL [15] QUADRO 5.3 PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DAS BATERIAS CLASSIC SERIES OPZS SOLAR QUADRO 5.4 DEFICIT DE ENERGIA NOS CASOS MENOS FAVORÁVEIS E ENERGIA TOTAL A ARMAZENAR QUADRO 6.1 COMPARAÇÃO DAS CARACTERÍSTICAS DAS ARQUITECTURAS QUADRO 7.1 DADOS DO PROJECTO NECESSÁRIOS AO DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA HIBRIDO QUADRO 7.2 CARACTERÍSTICAS DOS TRACKERS DISPONÍVEIS QUADRO 7.3 CAPACIDADE MÍNIMA DAS CÉLULAS DE 2V PARA DIFERENTES CORRENTES DE DESCARGA QUADRO 8.1 CARACTERÍSTICA DE DESCARGA DA BATERIA CLASSIC OPZS SOLAR E RELAÇÃO ENTRE A ENERGIA DESCARREGADA NUMA HORA E A PERCENTAGEM DA CAPACIDADE CONSUMIDA QUADRO 9.1 CUSTO DE INFRA ESTRUTURAS QUADRO 9.2 CUSTOS DE INVESTIMENTO INICIAL, O&M E CUSTOS DE ACTUALIZAÇÃO DO SISTEMA QUADRO 9.3 PROVEITOS NO PRIMEIRO ANO DE ACTIVIDADE QUADRO 9.4 CUSTOS DE INVESTIMENTO INICIAL (LIGADO À REDE E SEM SISTEMA DE ARMAZENAMENTO) QUADRO 9.5 DEFICIT E EXCESSO DE ENERGIA EM JANEIRO E MAIO QUADRO 9.6 QUANTIDADES DE ENERGIA VENDIDA A CADA ENTIDADE E RESPECTIVO PREÇO viii

9 LISTA DE FIGURAS FIGURA 2.1 NÚMERO DE CLIENTES, POR OPÇÃO TARIFÁRIA E POR ESCALÃO DE POTÊNCIA (BTN 20,7 KVA) [2]... 4 FIGURA 2.2 UTILIZAÇÃO DA POTÊNCIA CONTRATADA POR ESCALÃO DE POTÊNCIA E POR OPÇÃO TARIFÁRIA (BTN 20,7 ) [2]... 5 FIGURA 2.3 DIAGRAMA DE CARGA DO DIA 27 DE JANEIRO FIGURA 2.4 DIAGRAMA DE CARGA DO DIA 28 DE JANEIRO FIGURA 3.1 QUANTIDADE TOTAL DE RADIAÇÃO GLOBAL (/ 2) [4] FIGURA 3.2 INSOLAÇÃO (NÚMERO DE HORAS DE CÉU DESCOBERTO) [4] FIGURA 3.3 CLIMATOLOGIA BÁSICA DO RECURSO SOLAR PARA OS CONCELHOS DO ALGARVE, MÉDIA ANUAL DO VALOR DIÁRIO DA IRRADIAÇÃO SOLAR GLOBAL NA INCLINAÇÃO QUE MAXIMIZA A ENERGIA (LATITUDE 5º SUL) [5] FIGURA 3.4 VELOCIDADE MÉDIA DO VENTO A A) 10, B) 60 E C) 80 [6] FIGURA 3.5 ATLAS DE VENTO PARA A REGIÃO DO ALGARVE OBTIDO COM BASE NO ACOPLAMENTO MM5/WASP METODOLOGIA MULTI ESTAÇÃO DESENVOLVIDA PELO INETI ( 80) [7] FIGURA 3.6 ROSA DE VENTO PARA A REGIÃO DO ALGARVE OBTIDO COM BASE APENAS NO ACOPLAMENTO WASP/METODOLOGIA MULTI ESTAÇÃO DESENVOLVIDA PELO INETI ( 80) [7] FIGURA 3.7 ATLAS DE VENTO OBTIDO COM BASE NO ACOPLAMENTO MM5/WASP METODOLOGIA MULTI ESTAÇÃO DESENVOLVIDA PELO INETI ( 80) A) CONCELHO DE MONCHIQUE B) CONCELHO DE VILA DO BISPO [7] FIGURA 4.1 UTILIZAÇÃO ANUAL EQUIVALENTE DA POTÊNCIA INSTALADA PARA UM GERADOR DE 2 (OBTIDO COM BASE NO ACOPLAMENTO MM5 (3X3KM) E WASP (1X1KM)) [6] FIGURA 4.2 VARIAÇÃO DA ENERGIA PRODUZIDA ANUALMENTE COM A VELOCIDADE MÉDIA DO VENTO PARA CADA TURBINA [9] FIGURA 4.3 CARACTERÍSTICA ELÉCTRICA DO SISTEMA DE CONVERSÃO DO SISTEMA DE ENERGIA EÓLICA (TURBINA EÓLICA + CONVERSOR) [9] FIGURA 4.4 TRACKER DE DOIS EIXOS [11] FIGURA 4.5 COMPARAÇÃO DA PERFORMANCE DE UM PAINEL FOTOVOLTAICO FIXO COM UM EM ASSOCIAÇÃO COM SISTEMA DE TRACKER [11] FIGURA 4.6 ÍNDICE / ( EXPRESSA EM ) EM SISTEMAS FOTOVOLTAICOS LIGADOS À REDE [AGUIAR] [13] FIGURA 4.7 CARACTERÍSTICAS DA ESTAÇÃO DE LAGOA FUNDA (EOLOS 2.0) [14] FIGURA 4.8 VARIAÇÃO DA VELOCIDADE MÉDIA DO VENTO COM A ALTITUDE, PERFIL DIÁRIO DA VELOCIDADE DO VENTO E VELOCIDADE MÉDIAS DO VENTO MENSAIS DA ESTAÇÃO DE LAGOA FUNDA (EOLOS 2.0) [14] FIGURA 4.9 CIRCUITO ELÉCTRICO EQUIVALENTE DE UMA CÉLULA FOTOVOLTAICA LIGADA A UMA CARGA Z [13] FIGURA 4.10 CURVA I V DE DUAS CÉLULAS COM CARACTERÍSTICAS DIFERENTES [13] FIGURA 4.11 VARIAÇÃO DA CURVA I V COM A TEMPERATURA, RESULTADOS EXPERIMENTAIS [13] FIGURA 4.12 VARIAÇÃO DA CURVA I V COM A RADIAÇÃO, RESULTADOS EXPERIMENTAIS [13] FIGURA 4.13 BALANÇO DE ENERGIA DO MÊS DE JANEIRO FIGURA 5.1 REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA SIMPLIFICADA DE UMA PILHA DE COMBUSTÍVEL [15] FIGURA 5.2 ESQUEMA SIMPLIFICADO DE UMA CÉLULA DE BATERIA ix

10 FIGURA 5.3 CONSTITUIÇÃO DE UMA CÉLULA DE 2V DE UMA BATERIA ESTACIONÁRIA [17] FIGURA 5.4 EXPECTATIVA DE VIDA ÚTIL EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA DE TRABALHO (MOURA CLEAN) [18] FIGURA 5.5 RELAÇÃO ENTRE O NÚMERO DE CICLOS E A PROFUNDIDADE DE DESCARGA (MOURA CLEAN) [18] FIGURA 5.6 VARIAÇÃO DO TEMPO DE VIDA ÚTILA PARA BATERIAS VRLA E SPV [18] FIGURA 5.7 COMPONENTES DE UMA BATERIA COM VÁLVULA DE PERMEABILIDADE SELECTIVA (MOURA CLEAN) [18] FIGURA 6.1 SISTEMA HIBRIDO OFF GRID COM ARQUITECTURA AC COUPLED FIGURA 6.2 SISTEMA HÍBRIDO AC COUPLED DA SMA [25] FIGURA 6.3 SISTEMA HIBRIDO AC COUPLED DA SIEMENS FIGURA 6.4 SISTEMA HIBRIDO OFF GRID COM ARQUITECTURA DC COUPLED FIGURA 6.5 SISTEMA HIBRIDO DC COUPLED INGECON [26] FIGURA 7.1 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DAS BATERIAS DA SÉRIE CLASSIC OPZS SOLAR [27] FIGURA 7.2 VALORES DE CAPACIDADE ENTRE C1 E C72 PARA AS CÉLULAS ABSOLYTE XL3000 E PARA AS OPZS SOLAR FIGURA 7.3 DIAGRAMA DE BLOCOS DO SISTEMA DIMENSIONADO FIGURA 8.1 RELAÇÃO ENTRE A ENERGIA SOLICITADA ÀS BATERIAS E A PERCENTAGEM DA CAPACIDADE ÚTIL DAS BATERIAS DESCARREGADA POR ESSA ENERGIA FIGURA 8.2 EVOLUÇÃO DA CAPACIDADE DO BANCO DE BATERIAS EM JANEIRO FIGURA 8.3 EVOLUÇÃO DA CAPACIDADE DO BANCO DE BATERIAS EM MAIO FIGURA 9.1 ESTRUTURA DO PREÇO MÉDIO DAS TARIFAS DE VENDA A CLIENTES FINAIS (SETEMBRO 2007) [29] FIGURA 9.2 PREÇO MÉDIO DAS TARIFAS DE VENDA A CLIENTES FINAIS DO COMERCIALIZADOR DE ÚLTIMO RECURSO (SETEMBRO 2007) [29] x

11 LISTA DE SIGLAS INE. Instituto Nacional de Estatística. Número de edifícios. Baixa Tensão Normal ERSE. Entidade Reguladora dos Serviços Energéticos IP EDP MM5. Iluminação Pública. Energias de Portugal. Fifth generation Mesoscale Model WasP. Wind Atlas Analysis and Application Program AC DC O&M. Corrente Alternada Sinusoidal. Corrente Contínua. Operação e Manutenção. Normal Operation Cell Temperature MPPT. Maximum Power Point Tracker INETI. Instituto Nacional de Engenharia, Tecnologia e Inovação FC. Fuel Cell AFC. Alkaline Fuel Cell PEFC / PEM. Polymer Electrolyte Fuel Cell / Proton Exchange Membrane PAFC. Phosphoric Acid Fuel Cell MCFC. Molten Carbonate Fuel Cell SOFC. Solid Oxid Fuel Cell GLP DOD AGM. Gás de Petróleo Liquefeito. Depth of Discharge. Absorbed Glass Mat VRLA. Valve Regulated Batteries SPV IEEE VAL BA TIR UPS THD. Selective permeability Valve. Institute of Electrical and Electronics Engineers. Valor Actual Líquido. Balanço Actualizado. Taxa Interna de Rentabilidade. Uninterruptible Power Supply. Total Harmonic Distortion xi

12 LISTA DE SÍMBOLOS p.u. Número de edifícios. Energia Anual. Energia Anual por Cliente. Potência Contratada. Utilização Anual da Potência. Por Unidade. Energia Anual. Energia Anual em Iluminação Pública. Energia Anual Por Perfil. Potência Eólica. Secção Plana Transversal do rotor da turbina. Massa específica do ar. Velocidade da Massa Deslocada. Energia Total a Produzir Anualmente. Energia Consumida Anualmente. Energia Eólica Produzida Anualmente. Potência Pico Fotovoltaica. Energia Fotovoltaica Produzida Anualmente. Potência Eólica Nominal. Utilização Anual Equivalente da Potência Eólica Instalada. Utilização Anual Equivalente da Potência Fotovoltaica Instalada. Velocidade do Vento. Velocidade Média do Vento. Componente correspondente à Turbulência do Vento. Parâmetro de forma da equação de Weibull. Parâmetro de Escala da equação de Weibull. Potência Eléctrica do Gerador Eólico em função da Velocidade do Vento. Função Densidade de Probabilidade. Cut-in Wind Speed. Cut-Out Wind Speed. Potência de Pico do Painel Fotovoltaico. Corrente Máxima de Referência. Tensão Máxima de Referência. Corrente de Curto-Circuito de Referência. Tensão de Curto-Circuito de Referência. Número de células fotovoltaicas em série. Rendimento do Painel Fotovoltaico xii

13 . Comprimento do Painel Fotovoltaico. Largura do Painel Fotovoltaico. Razão entre o valor de Radiação em Lisboa e Silves. Radiação Média em Silves. Radiação Média em Lisboa. Razão entre o valor de Temperatura em Lisboa e Silves.. Radiação Média em Vila do Bispo. Razão entre o valor de Radiação em Vila do Bispo e Silves. Altura da Turbina. Velocidade média do vento em função da altura. Velocidade de Atrito. Altura de medição da velocidade do vento. Constante de Von Karman. Comprimento da Rugosidade do Solo. Razão entre a velocidade média do vento em Lagoa Funda e Foia. Velocidade Média do Vento em Lagoa Funda. Velocidade Média do Vento em Foia. Razão entre a velocidade média do vento em Janeiro e Abril. Velocidade Média do vento em Janeiro. Velocidade Média do vento em Abril. Razão entre a velocidade média do vento em Maio e Abril. Velocidade do Vento. Velocidade Média do Vento em Maio. Energia eólica mensal. Energia horária em função da Velocidade média do Vento. Corrente que percorre o díodo. Tensão aos terminais da Célula Fotovoltaica. Corrente inversa máxima de saturação do díodo. Factor de idealidade do díodo. Potencial Térmico. Constante de Boltzmann. Carga do Electrão. Corrente na Carga Ligada à Célula Fotovoltaica. Corrente eléctrica gerada pelo feixe de radiação luminosa. Corrente da Célula Fotovoltaica em Curto-Circuito. Tensão da célula Fotovoltaica em Circuito Aberto. Potência fornecida pela Célula Fotovoltaica. Tensão nas condições de referência da célula Fotovoltaica em Circuito Aberto. Corrente nas condições de referência da Célula Fotovoltaica em Curto-Circuito. Tensão máxima nas condições de referência da célula xiii

14 . Corrente máxima nas condições de referência da célula. Potência Máxima nas condições de Referência. Potencial Térmico nas condições de Referência. Corrente inversa máxima de saturação do díodo nas condições de Referência. Temperatura da Célula Fotovoltaica em graus Kelvin. Temperatura da Célula Fotovoltaica nas Condições de Referência. Radiação incidente na Célula Fotovoltaica. Temperatura da Célula Fotovoltaica em graus Célsius. Temperatura Ambiente em graus Célsius. Factor de idealidade do díodo relativo ao módulo fotovoltaico. Radiação de Referência. Tensão do Ponto de Potência Máxima. Corrente do Ponto de Potência Máxima. Potência Máxima. Energia horária Fotovoltaica. Energia horária. Número de Painéis Fotovoltaicos. Largura dos Painéis Fotovoltaicos. Comprimento dos Painéis Fotovoltaicos. Balanço Energético de Janeiro. Energia Eólica Produzida em Janeiro. Energia Fotovoltaica Produzida em Janeiro. Energia Consumida em Janeiro. Balanço Energético de Maio. Energia Eólica Produzida em Maio. Energia Fotovoltaica Produzida em Maio. Energia Consumida em Maio. Energia consumida a cada hora. Energia consumida em cada 15 minutos. Energia Total Produzida a cada hora. Energia Fotovoltaica Produzida por hora. Energia Eólica Produzida por hora. Balanço de Energia Horária. Energia Total Produzida por hora. Energia Consumida em Cada Hora. Ampere-hora. Volt por Célula. Energia Total a Armazenar. Deficit de Energia xiv

15 . Tensão Máxima Suportada pelo Inversor. Número Máximo de painéis que é Possível Ligar em Série. Corrente Máxima de Entrada Suportada pelo Conversor. Número Máximo de Painéis, ou Strings que é Possível Associar em Paralelo. Número Mínimo de Células de 2 em Série. Tensão Mínima a que o Conversor pode Funcionar. Número Máximo de células de 2 em Série. Número de Células de 2 a Instalar. Tensão Nominal do Banco de Baterias. Capacidade Nominal das células de bateria. Energia Nominal a Armazenar. Potencia Máxima que as baterias podem absorver. Vida Útil do Empreendimento. Receita Líquida. Receita Bruta Anual %. Despesas de Operação e Manutenção em percentagem. Investimento Total. Energia Vendida à População. Energia Produzida Disponível Anualmente. Energia Produzida em Excesso CONDIÇÕES DE REFERÊNCIA (CONDIÇÕES NORMAIS DE TESTE1). Temperatura de Referência em graus Célsius 25ºC. Temperatura de Referência em graus Kelvin 298,16K. Radiação incidente de referência 1000 W/m^2 1 Standard Test Conditions - STC xv

16 1. INTRODUÇÃO O elevado impacto na economia mundial provocado pelas crescentes oscilações do preço dos combustíveis fósseis, devido a questões geopolíticas e/ou catástrofes ambientais, tornam premente a busca de soluções que promovam a sustentabilidade do actual estilo de vida das sociedades ocidentais e que possam colmatar o rápido crescimento da procura de energia nas sociedades emergentes. A urgência de encontrar alternativas aumenta com a previsível escassez deste recurso a médio prazo e, ainda, pelas crescentes preocupações ambientais relacionadas com a emissão de gases responsáveis pelo efeito de estufa. Verifica-se também que continuam a existir populações, que devido às características orográficas dos locais onde se situam ou ao seu profundo isolamento geográfico, não se encontram ainda conectadas a uma rede de energia convencional, uma vez que a dimensão da população a abastecer não justifica o elevado investimento que representa a expansão das redes de transporte e distribuição de energia. Geralmente, nestas situações, o abastecimento de energia eléctrica é efectuado de forma deficiente e é, com frequência, garantido por geradores a diesel. Estes equipamentos exigem um programa de manutenções regulares que raramente é executado, conduzindo ao aumento do número de falhas do gerador, que se reflecte numa elevada taxa de indisponibilidade da rede eléctrica. A esta situação acresce ainda o facto do combustível utilizado pelos geradores ser habitualmente proveniente de zonas distantes, com um preço de transporte elevado, o que inflaciona o custo de operação destes sistemas. Será nos casos atrás referidos que a combinação de tecnologias que utilizam recursos inesgotáveis e gratuitos (como a radiação solar ou o vento) se apresenta como uma solução viável, para satisfazer, de forma sustentável, as necessidades de consumo. Neste sentido, o trabalho desenvolvido pretende dimensionar um sistema híbrido de produção e armazenamento de energia eólica e fotovoltaica a instalar em Portugal Continental (ou num local com características semelhantes) para alimentar uma aldeia com cerca de 150 habitantes e determinar as circunstâncias em que um sistema desta natureza se torna economicamente viável ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO Este trabalho divide-se em doze capítulos sendo a introdução, em que se inclui este texto, o primeiro capítulo. Antes de dimensionar os sistemas de produção e armazenamento de energia fez-se, no capítulo dois, uma estimativa do consumo da população em estudo e determinou-se no capítulo três a localização mais favorável à instalação do projecto, do ponto de vista dos recursos energéticos naturais. No capítulo quatro determinaram-se os requisitos a cumprir pelos sistemas de produção face às necessidades de consumo e à disponibilidade energética dos recursos utilizados na conversão de energia. Estão descritos vários métodos para efectuar o 1

17 dimensionamento destes sistemas 2, no entanto neste trabalho foi usado um método menos complexo visto que o dimensionamento dos sistemas não é o objectivo principal deste projecto, sendo esse, a análise das condições que tornam estes sistemas viáveis do ponto de vista económico. Seguidamente, no capítulo cinco, foram dimensionados os sistemas de armazenamento com base nas expectativas de consumo e de produção de energia. No capítulo seis foi determinada qual a arquitectura a utilizar (DC-Coupled) e foram seleccionados os sistemas electrónicos de potência (Inversores) a instalar. No capítulo sete foram dimensionados os sistemas de acordo com a arquitectura escolhida. Concluído o dimensionamento de todos os equipamentos que constituem este sistema híbrido de produção de energia, no capítulo oito, foi avaliado o seu desempenho e o cumprimento dos requisitos exigidos. Confirmado o desempenho satisfatório do sistema, no capítulo nove, foi cumprido um dos objectivos principais desta tese: a análise económica de vários cenários, de onde foram retiradas as conclusões apresentadas no capítulo 10, onde também são apresentadas algumas ideias de perspectivas futuras de trabalho. Os dois últimos capítulos que constituem esta tese, capítulos 11 e 12 apresentam respectivamente as referências bibliográficas e os anexos incluídos neste trabalho. 2 O IEEE disponibiliza um documento que descreve uma metodologia para dimensionar estes sistemas: Methodology for Optimally Sizing the Combination of a Battery Bank and PV Array in a Wind/PV Hybrid System 2

18 2. CARACTERIZAÇÃO DO CONSUMO Com vista ao dimensionamento do sistema de produção e armazenamento de energia eléctrica, fundamentais à autonomização energética de um agregado populacional com cerca de 150 habitantes, começou-se por determinar as exigências de consumo dos clientes em questão. Visto não estarem disponíveis dados relativos a um conjunto de clientes tão reduzido, fez-se um estudo prévio sobre o consumo de energia eléctrica em Portugal Continental e posteriormente, extrapolaram-se os resultados para o projecto em estudo NÚMERO DE CLIENTES Considerou-se que o número de clientes a abastecer corresponde ao número de edifícios existentes no agregado populacional. O número de edifícios foi estabelecido tendo em conta os dados fornecidos pelo Instituto Nacional de Estatística (INE), Quadro 2.1, que indicam que em 2001 a dimensão média da família em Portugal era de 2.8 pessoas. QUADRO DIMENSÃO MÉDIA DA FAMÍLIA EM PORTUGAL [1] Deste modo, estima-se que a povoação de 150 habitantes, terá aproximadamente 54 edifícios e portanto igual número de clientes: EQUAÇÃO CONSUMO ANUAL CONSUMO ANUAL DA POPULAÇÃO O consumo anual da população foi determinado a partir dos valores de potência contratada por cada cliente e da utilização anual destas potências (Equação 2.2). 3

19 EQUAÇÃO 2.2 Admitiu-se que, tendo o agregado populacional a dimensão típica de uma aldeia, não comporta instalações industriais que exijam a contratação de potências elevadas, pelo que todos os clientes serão alimentados em Baixa Tensão Normal (BTN - potência contratada inferior ou igual a 41.4 kva). Assim sendo, e de acordo com o documento Caracterização da Procura de Energia Eléctrica em 2006 [2] publicado pela Entidade Reguladora dos Serviços Energéticos (ERSE), verificou-se que do total de clientes em BTN ( clientes), 91.9% utiliza a opção de tarifário simples (Quadro 2.2). Mais uma vez, perante a reduzida dimensão do agregado populacional, considerouse que todos os clientes optam pelo regime de tarifário simples. QUADRO NÚMERO DE CLIENTES POR OPÇÃO TARIFÁRIA (BTN 20.7 KVA) Número de clientes por opção Tarifária Social Simples Bi horária Sazonal Simples Sazonal Bi horária Sazonal Tri horária O mesmo documento indica também a percentagem de clientes ao nível nacional que contrata determinada potência, de acordo com o tarifário que subscreve (Figura ). FIGURA 2.1- NÚMERO DE CLIENTES, POR OPÇÃO TARIFÁRIA E POR ESCALÃO DE POTÊNCIA (BTN 20,7 KVA) [2] 3 O eixo das ordenadas encontra-se em valores por unidade (p.u) na base do número de clientes correspondente a cada opção tarifária indicado no Quadro

20 Observa-se no quadro da Figura 2.1 que para a opção tarifária simples as potências contratadas com mais frequência são: 3.45 kva utilizada por 55.7 % dos clientes em BTN; 6.9 kva utilizada por 21.3%; 1.15 kva utilizada por 9.9%; 10.4 kva utilizada por 6.6% e finalmente 20.7 kva utilizada por 2.6% dos clientes em BTN. Os escalões de potência referidos representam no seu conjunto 96.2% dos clientes em BTN pelo que, novamente, devido à dimensão da amostra a caracterizar, foram ignorados outros escalões de potência com representação inferior e fizeram-se algumas aproximações quando se distribuíram os 54 clientes em análise pelos níveis de potência mais significativos. Ainda no documento referido anteriormente, é também possível encontrar um gráfico (Figura 2.2) que indica a utilização anual da potência contratada. FIGURA UTILIZAÇÃO DA POTÊNCIA CONTRATADA POR ESCALÃO DE POTÊNCIA E POR OPÇÃO TARIFÁRIA (BTN 20,7 ) [2] Observa-se que as potências de 1.15, 3.45, 6.9, 10.4 e 20.7 têm uma utilização anual de, respectivamente 494, 550, 481, 428 e 549. Com os dados referidos foi então possível estimar a energia anual (Equação 2.2) consumida por cada cliente (Quadro 2.3) e finalmente a energia total consumida pelos 54 clientes em análise, cerca de

21 QUADRO POTÊNCIAS CONTRATADAS E ENERGIA CONSUMIDA ANUALMENTE POR CLIENTE Potência Contratada Percentagem de clientes que utilizam a respectiva potencia % Nº Clientes Nº de Clientes Considerado Utilização Anual da Potencia Energia anual por Cliente Energia anual por nível de Potencia 1,15 9,9 5, , ,6 3,45 55,7 30, , ,0 6,9 21,3 11, , ,8 10,4 6,6 3, , ,8 20,7 2,7 1, , ,6 Total 96, , CONSUMO ANUAL EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA Estimou-se também a energia necessária para satisfazer o consumo anual da Iluminação Pública (IP). O Quadro 2.4 indica a energia anual consumida por cada tipo de tarifário, onde se encontra especificado o consumo anual em IP. Verificou-se que a energia consumida anualmente em IP representa cerca de 6.9% do consumo total em BTN. QUADRO 2.4 ENERGIA CONSUMIDA ANUALMENTE POR OPÇÃO TARIFÁRIA [2] Utilizando a relação anterior, estimou-se que a energia anual necessária para IP no projecto em questão será cerca de 9715 : EQUAÇÃO ACTUALIZAÇÃO DOS VALORES DO CONSUMO TENDO EM CONSIDERAÇÃO O SEU AUMENTO Foi estabelecido que os equipamentos de produção e armazenamento a instalar serão dimensionados para corresponder às necessidades de consumo durante 5 anos sem que haja 6

22 qualquer actualização destes sistemas. Considerou-se portanto que o sistema energético será sobredimensionado tendo em conta um aumento do consumo de 5% (fonte: EDP) ao ano durante 5 anos (Consultar ficheiro Caracterização do Consumo.xlsm). Contudo, o tempo de vida esperado para investimentos deste género é de 20 anos, pelo que esta será uma instalação escalonável. Sendo assim, as infra-estruturas, cuja expansão se preveja necessária para responder a um aumento do consumo e da produção serão dimensionadas a 20 anos (exemplo: sobredimensionamento a 20 anos da estrutura de construção civil que vai alojar os sistemas de armazenamento e equipamentos de electrónica de potência). Os resultados obtidos para o consumo anual da população em estudo encontram-se resumidos no Quadro 2.5. QUADRO ENERGIA CONSUMIDA ANUALMENTE E RESPECTIVA ACTUALIZAÇÃO. Consumo Anual Total Clientes Iluminação Pública Total com Iluminação Pública Total com Iluminação Pública e Aumento do Consumo de 5% a 5 anos Total com Iluminação Pública e Aumento do Consumo de 5% a 20 anos ANÁLISE DA EVOLUÇÃO HORÁRIA DO CONSUMO ANUAL Nos projectos em que o sistema energético se encontra conectado à rede da EDP, o cálculo da Energia Anual consumida, do seu valor médio e máximo, é usualmente suficiente para dimensionar os sistemas de produção a instalar visto que o fornecimento de energia eléctrica estará, em situação normal, garantido pela rede da EDP (não é necessário ter em consideração eventuais constrangimentos relacionados com a disponibilidade de energia produzida ou armazenada pelo sistema para satisfazer as necessidade de consumo considera-se indiferente o momento em que a energia é solicitada). No projecto em questão (Off-Grid), a situação é substancialmente diferente, pelo que neste caso, o sistema dimensionado terá que responder a critérios mais exigentes que garantam que o sistema satisfaz as solicitações energéticas dos consumidores a qualquer altura. Para tal, será efectuada uma análise mais detalhada da evolução do consumo e da produção ao longo do ano, de modo a verificar se estão asseguradas as seguintes exigências: Garantir que a produção anual de energia seja superior ao consumo anual. Garantir que a potência instalada é superior à potência de pico. Garantir o fornecimento sem interrupções: 7

23 o Analisar os casos mais desfavoráveis do ponto de vista do consumo. Determinar e localizar o valor da potência de pico. Determinar o consumo médio mensal máximo. Determinar o consumo médio diário máximo. o Analisar os casos mais desfavoráveis do ponto de vista da produção. Menor produção Eólica Menor produção Fotovoltaica Garantir a reposição dos sistemas de armazenamento EVOLUÇÃO DO CONSUMO DA POPULAÇÃO No sentido de cumprir os critérios atrás mencionados, estimou-se a energia consumida em intervalos de 15 minutos ao longo do ano de forma a identificar os meses e os dias mais exigentes do ponto de vista do consumo. Para efectuar essa estimativa recorreu-se ao Despacho nº A/2006 [3] publicado pela ERSE. Este, estabelece perfis iniciais de consumo que são aplicáveis a instalações em BTN que não disponham de equipamentos de medição com registo horário. Os perfis iniciais foram obtidos a partir de um conjunto de diagramas de carga horários de uma amostra de clientes representativa destes fornecimentos, ao abrigo do artigo 153.º do Regulamento Tarifário. Os diagramas de carga da amostra foram normalizados e agregados de forma a poder extrair as características dos perfis de consumo dos clientes em BTN. São então fornecidos três perfis que diferem na potência contratada e no consumo anual de cada cliente. Os clientes identificados com um perfil Classe A apresentam uma potência contratada superior a No Perfil Classe B incluem-se os clientes com potência contratada inferior ou igual a 13.8 e consumo anual superior a Finalmente o Perfil Classe C engloba os clientes com potência contratada inferior ou igual a 13.8 e consumo anual inferior ou igual a No presente estudo e como se observa no Quadro 2.3, há dois clientes que se identificam com o perfil Classe A. Verifica-se também que nenhum cliente se enquadra no perfil Classe B pois o consumo anual estimado de cada cliente é sempre inferior a 7140 para valores de potência contratada inferior ou igual a Enquadram-se no perfil Classe C, os restantes 52 clientes. O Quadro 2.6 apresenta um resumo da distribuição dos clientes e a energia total de cada um dos perfis. 8

24 QUADRO DISTRIBUIÇÃO DOS CLIENTES E ENERGIA TOTAL POR PERFIL Perfil dos Clientes Potência Contratada Energia anual por nível de Potencia Número de Clientes Energia Total Por Perfil Classe A 20, , ,6 1, Classe C 3, ,8 30 6, , ,4 3408, ,2 De modo a contabilizar o aumento do consumo num prazo de cinco anos, a energia total de cada perfil foi actualizada de 5% ao ano durante 5 anos, tal como foi efectuado anteriormente para a energia total consumida anualmente. Efectuada esta actualização, multiplicou-se a energia anual actualizada de cada perfil pelos valores iniciais de referência fornecidos pela ERSE, obtendo-se, desta forma, o consumo anual estimado em intervalos de 15 minutos para cada perfil. Os valores dos dois perfis foram adicionados de forma a obter o consumo total anual dos 54 clientes exceptuando ainda a Iluminação Pública (Consultar ficheiro Caracterização do Consumo.xlsm) EVOLUÇÃO DO CONSUMO EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA O diagrama de carga anual para IP é calculado a partir da informação sobre os crepúsculos, dia claro e escurecer, disponibilizada pelo Observatório Astronómico de Lisboa [2]. Da análise destes dados, determina-se a hora de ligação e de desligação dos circuitos de IP em cada dia do ano. No presente estudo, para simplificar este diagrama, considerou-se a duração do dia constante ao longo de cada mês e igual ao valor médio mensal, ignorou-se portanto a variação da duração do diagrama de carga diário para IP ao longo do mês. Sendo assim, determinou-se a duração média anual do dia e verificou-se a variação do valor médio mensal em relação ao valor médio anual. Afectou-se esta variação, ao valor médio mensal do consumo de energia em IP obtendo-se assim o valor de consumo mensal dos circuitos de IP. Este valor mensal foi distribuído de forma constante ao longo dos dias de cada mês nas horas em que a iluminação é utilizada (hora média mensal de dia claro) até à hora em que deixam de ser necessários (hora média mensal de escurecer). O perfil criado para o consumo em IP foi somado aos perfis anteriores e construíram-se então diagramas de duração de carga globais diários (Consultar ficheiro Caracterização do Consumo.xlsm). Como exemplo, apresenta-se na Figura 2.3 o diagrama de carga do dia 27 de Janeiro, onde estão identificadas as várias parcelas que contribuem para o diagrama de carga global. 9

25 FIGURA DIAGRAMA DE CARGA DO DIA 27 DE JANEIRO Construído o diagrama de carga anual, foi então possível analisar a evolução do consumo de energia eléctrica ao longo do ano. Determinaram-se os valores de energia média diária e mensal e os valores de pico mensais (Quadro 2.7) que permitiram identificar os dias e meses mais exigentes do ponto de vista do consumo. QUADRO VALORES MÁXIMOS E MÉDIOS MENSAIS E DIÁRIOS Mês Valor Médio Mensal Valor Médio Diário Máximo Mensal Valor Máximo Mensal Energia Mensal Janeiro 28246, , , ,7 Fevereiro 27763, , , ,2 Março 22841, , , ,1 Abril 18382, , , ,2 Maio 17983, , , ,2 Junho 19053, , , ,9 Julho 19488, , , ,5 Agosto 18946, , , ,4 Setembro 19482, , , ,7 Outubro 20009, , , ,0 Novembro 23415, , , ,8 Dezembro 27735, , , ,4 Valor Médio Anual 21945, ,2 10

26 Da análise do Quadro 2.7, concluiu-se que Janeiro é o mês em que o consumo médio mensal é mais elevado. Também apresenta os dias com maior consumo diário de energia e com potência de pico mais elevada. Por último, verifica-se que é também o mês em que a energia consumida é mais elevada. Este é, portanto, o mês mais exigente do ponto de vista do consumo. Na Figura 2.3 observa-se o diagrama de carga do dia 27 de Janeiro que é um dos que apresenta o pico de potência mais elevado do ano e na Figura 2.4 observa-se o dia 28 de Janeiro que é um dos que apresenta o valor de energia média diária consumida mais elevado. Estes podem ser considerados os dias (há vários idênticos) mais exigentes do ponto de vista do consumo. FIGURA DIAGRAMA DE CARGA DO DIA 28 DE JANEIRO Obtiveram-se assim os seguintes dados essenciais ao dimensionamento do projecto: energia consumida anualmente, potência de pico, potência média anual, potência média diária máxima e potência média mensal máxima. Estes dados encontram-se resumidos no Quadro 2.8. QUADRO 2.8 DADOS REFERENTES AO CONSUMO Energia consumida anualmente Energia máxima mensal Potência de pico 46,5 Potência média anual 22,0 Potência média diária máxima 28,9 Potência média mensal máxima 28,2 11

27 3. LOCALIZAÇÃO DO PROJECTO A viabilidade de projectos relacionados com energias renováveis depende fundamentalmente da disponibilidade dos recursos utilizados na produção de energia. Constata-se assim, que a potência a instalar diminui com o aumento da disponibilidade destes recursos. Diminui também o custo total do projecto que depende, essencialmente, da quantidade de potência a instalar. No projecto em questão, a energia consumida ou acumulada é obtida por conversão da energia cinética do vento (Energia Eólica) e/ou através do efeito fotovoltaico (Energia Solar). Sendo assim, a localização ideal deste projecto, será uma zona que maximiza a disponibilidade destes recursos, combinando uma velocidade média do vento elevada com um valor médio anual de radiação solar elevado. De modo a identificar uma localização com as características referidas, fez-se uma análise do potencial eólico e solar em Portugal Continental POTENCIAL FOTOVOLTAICO Na Figura 3.1 observa-se que a zona de Portugal Continental que apresenta uma quantidade de radiação total mais elevada é o Sul, em particular nas regiões do Alentejo e do Algarve. Na Figura 3.2 verifica-se também, que nestas regiões, o número de horas de insolação anual é elevado, variando entre as 2000 e as Perante isto, conclui-se que, de uma forma geral, quanto menor for a latitude de instalação deste projecto maior será a quantidade de energia produzível com origem fotovoltaica. 12

28 FIGURA QUANTIDADE TOTAL DE RADIAÇÃO GLOBAL (/ ) [4] FIGURA INSOLAÇÃO (NÚMERO DE HORAS DE CÉU DESCOBERTO) [4] 13

29 A Figura 3.3 mostra com mais detalhe a região algarvia, onde a média anual do valor diário da irradiação solar global varia entre os 5 / na zona Oeste e os 5.4 / na zona Este. Verifica-se, portanto, uma variação reduzida com a longitude. FIGURA CLIMATOLOGIA BÁSICA DO RECURSO SOLAR PARA OS CONCELHOS DO ALGARVE, MÉDIA ANUAL DO VALOR DIÁRIO DA IRRADIAÇÃO SOLAR GLOBAL NA INCLINAÇÃO QUE MAXIMIZA A ENERGIA (LATITUDE 5º SUL) [5] 3.2. POTENCIAL EÓLICO Olhando agora para a Figura 3.4, que apresenta a velocidade média anual do vento a diferentes altitudes, constata-se que a região Sul de Portugal Continental onde se observam valores médios anuais de velocidade do vento mais elevados é o Algarve. Nesta zona esta grandeza varia entre os 4/ e os 9/. a) b) c) FIGURA VELOCIDADE MÉDIA DO VENTO A a) 10, b) 60 E c) 80 [6] 14

30 Analisando com mais detalhe a região do Algarve (Figura 3.5), constata-se que Monchique e Vila do Bispo (zonas mais escuras no mapa) são os concelhos que apresentam velocidades médias do vento mais elevadas. FIGURA ATLAS DE VENTO PARA A REGIÃO DO ALGARVE OBTIDO COM BASE NO ACOPLAMENTO MM5/WASP METODOLOGIA MULTI-ESTAÇÃO DESENVOLVIDA PELO INETI ( 80) [7]. Na Figura 3.6 observa-se que em qualquer um dos concelhos referidos a direcção predominante do vento é de Norte (Nortadas), o que constitui um factor determinante na escolha do local exacto onde o colector eólico vai ficar instalado. Preferencialmente este deverá ser instalado o mais afastado possível de qualquer obstáculo. Neste caso, em particular, dada a direcção predominante do vento, dever-se-á evitar a colocação do colector a sul de um obstáculo que possa interferir na deslocação normal da massa de ar, quer diminuindo a sua velocidade, quer criando turbulência e assim, provocar a diminuição do potencial energético do vento. FIGURA ROSA DE VENTO PARA A REGIÃO DO ALGARVE OBTIDO COM BASE APENAS NO ACOPLAMENTO WASP/METODOLOGIA MULTI-ESTAÇÃO DESENVOLVIDA PELO INETI ( 80) [7]. Comparou-se então com mais pormenor os valores da velocidade média do vento nos dois concelhos previamente seleccionados, Figura 3.7. Da análise desta figura, nota-se que no 15

31 concelho de Monchique as velocidades médias do vento se encontram entre os 4 / e os 8 /, enquanto no concelho de Vila do Bispo predominam velocidades médias do vento no intervalo entre os 7 / e 9 /. Além de velocidades médias mais elevadas, também a dimensão da área onde a velocidade do vento é máxima é superior no concelho de Vila do Bispo em relação à do concelho de Monchique. a) b) FIGURA ATLAS DE VENTO OBTIDO COM BASE NO ACOPLAMENTO MM5/WASP METODOLOGIA MULTI- ESTAÇÃO DESENVOLVIDA PELO INETI ( 80) A) CONCELHO DE MONCHIQUE B) CONCELHO DE VILA DO BISPO [7]. Na escolha da localização que apresenta mais vantagens do ponto de vista do potencial energético, teve-se também em consideração que os equipamentos eólicos, comparativamente aos painéis fotovoltaicos, apresentam um rendimento superior, uma maior capacidade de produção durante 24 por dia (os painéis foto voltaicos não funcionam à noite) e um preço por inferior. Constata-se também que a potência que é possível gerar através do recurso eólico, depende do cubo da velocidade do vento (Equação 3.1), pelo que pequenas variações da velocidade média do vento têm um impacto muito significativo na energia produzida. 1 2 EQUAÇÃO 3.1 onde é secção plana transversal do rotor da turbina, a massa específica do ar 4 e é a velocidade da massa deslocada.[8] Comparando o concelho de Monchique com o concelho de Vila do Bispo, concluiu-se que a diferença de valores de irradiação entre os dois concelhos é pequena, aproximadamente 0.1 / por dia, estando em vantagem o concelho de Monchique. Contudo, devido aos factores atrás mencionados, privilegiou-se a zona onde o recurso eólico é mais abundante em detrimento do recurso fotovoltaico, tendo-se concluído que o concelho mais favorável à instalação deste projecto seria o de Vila do Bispo. 4 1,225 kg/m nas condições de pressão e temperatura normais (PTN) 16

32 4. PRODUÇÃO A disponibilidade dos recursos naturais utilizados na conversão de energia tem um carácter probabilístico inerente à incerteza da sua existência. De forma a reduzir esta incerteza, este projecto preconiza o uso de duas tecnologias de produção independentes - eólica e fotovoltaica - o que diminui a probabilidade de indisponibilidade do sistema de produção. Desta forma, é possível reduzir a capacidade do sistema de armazenamento e por consequência do custo de investimento. Para determinar a potência de cada parcela que será necessário instalar de modo a satisfazer o consumo e garantir o fornecimento ininterrupto de energia, utilizou-se um procedimento iterativo. Foram efectuadas estimativas de produção cada vez mais precisas que posteriormente foram comparadas com as estimativas de consumo nos casos menos favoráveis já identificados no primeiro capítulo. As vantagens dos sistemas de energia renovável baseados no recurso eólico, já anteriormente referidas, justificam que a parcela de potência eólica que se prevê instalar, seja bastante superior à parcela fotovoltaica. Teve-se também em consideração que o valor da parcela eólica só pode variar em intervalos discretos superiores a 5 (diferença entre potências nominais de modelo para modelo de turbina) enquanto a parcela fotovoltaica pode variar em intervalos de apenas algumas centenas de Watts (100 a 200 dependendo da potência nominal dos painéis utilizados). Utiliza-se portanto a parcela fotovoltaica para ajustes mais finos e a parcela eólica para ajustes menos precisos. A quantidade de energia produzida anualmente terá que ser superior ao valor da energia consumida anualmente. No total será, no mínimo, igual à soma da energia total consumida, com as perdas que se irão verificar no sistema de armazenamento, conversão (AC-DC-AC) e transporte. As perdas relativas ao transporte consideram-se desprezáveis pois o sistema de produção será instalado junto aos consumidores. Quanto às perdas do sistema de armazenamento, dependem da tecnologia do sistema que será adoptado, variando entre os 40% e os 60% da energia solicitada ao sistema de armazenamento. No rendimento dos sistemas de armazenamento inclui-se já o rendimento dos sistemas de conversão. Contudo, nem toda a energia consumida anualmente provém do sistema de armazenamento (acontece pontualmente quando a produção é inferior ao consumo ou não há produção), há uma parcela que procede directamente do sistema de produção. Esta é apenas afectada pelas perdas de conversão entre a produção e o consumo, sendo neste caso inferiores a 20%. Com os dados obtidos até agora, não é possível estimar qual a percentagem de energia consumida proveniente do sistema de armazenamento ou directamente do sistema de produção. Sendo assim, assumiu-se um valor inicial para as perdas totais do sistema de 30%, o que equivale a assumir que metade da energia consumida anualmente é oriunda do sistema de armazenamento e a outra metade é obtida directamente a partir dos sistemas de produção. 17

33 Depois de estimado o valor da energia produzida anualmente faz-se uma análise do balanço entre a energia produzida e consumida (Ponto 4.6) onde se concluirá se o valor assumido para as perdas é excessivo ou se pelo contrário é insuficiente. Estimou-se que a energia a ser produzida anualmente será no total: A estimativa da energia anual produzida por cada fonte (, ) foi obtida utilizando a Equação 4.1, multiplicando a potência a instalar (, ) pela utilização anual de cada uma dessas potências (, ). Estes valores serão calculados nos Pontos 4.1 e 4.2. EQUAÇÃO 4.1 Nos meses identificados como mais desfavoráveis do ponto de vista do consumo e/ou da produção foram utilizados métodos mais precisos para estimar a energia produzida PRODUÇÃO ANUAL DE ENERGIA EÓLICA A produção anual de energia eólica depende essencialmente do potencial energético do vento (que se reflecte no valor de utilização anual da potência instalada - ) e das características técnicas do conversor eólico utilizado UTILIZAÇÃO ANUAL DA POTÊNCIA EÓLICA A Figura 4.1 apresenta a estimativa da utilização anual equivalente da potência instalada para um gerador de 2 instalado a 80de altura em Portugal Continental. Os valores indicados nesta figura, servirão apenas de referência para efectuar uma estimativa inicial da potência da turbina a utilizar no projecto em questão, dado prever-se que as suas características (potência e a altura de instalação) serão diferentes e, por conseguinte, o valor de utilização anual equivalente da potência instalada também. Sendo assim, a potência da turbina a utilizar neste projecto, foi estimada tendo como referência o valor de utilização anual da potência equivalente indicada na figura, que na zona em questão é de aproximadamente

34 FIGURA UTILIZAÇÃO ANUAL EQUIVALENTE DA POTÊNCIA INSTALADA PARA UM GERADOR DE 2 (OBTIDO COM BASE NO ACOPLAMENTO MM5 (3X3Km) E WASP (1X1Km)) [6] SELECÇÃO DA TURBINA E DA POTÊNCIA EÓLICA A INSTALAR Uma vez estimada a utilização anual de referência da potência eólica, procedeu-se à determinação do modelo e potência da turbina a instalar. Caso esta fosse a única fonte de energia considerada, e com base na utilização anual da potência equivalente atrás determinada, para satisfazer o consumo anual da população a turbina eólica teria que apresentar a seguinte potência nominal: Como se optou por diversificar os recursos utilizados na produção de energia, a potência eólica a instalar será sempre inferior a 96, mas como já foi referido será o recurso a que corresponde a maior parcela de produção. A decisão acerca da potência da turbina a instalar terá que ter também em conta a oferta disponibilizada pelos fabricantes de turbinas e a relação custo/potência nominal. Das turbinas pesquisadas concluiu-se que para potências até 20 existe uma grande diversidade de ofertas. Entre os 20 e os 60 a oferta é reduzida ou inexistente. Dentro do intervalo entre 60 e 80 são disponibilizadas turbinas com intervalos de potência entre os modelos de cada marca de aproximadamente 5. Neste grupo de turbinas, identificaram-se no entanto, marcas cujas soluções o fabricante indicou que não se adaptam aos objectivos do projecto pois não podem operar em Off-Grid. 19

35 A partir de 80 só há soluções com potências demasiado elevadas para serem utilizadas no projecto em questão. Das turbinas consultadas, o fabricante que apresentou propostas mais adequadas e também mais equilibradas do ponto de vista custo/potência foi a EOLTEC (Anexo A). Esta empresa disponibiliza duas turbinas semelhantes que se enquadram na gama de potências procuradas. As características principais são apresentadas no Quadro 4.1. QUADRO 4.1 CARACTERÍSTICAS QUE DISTINGUEM AS TURBINAS EOLTEC DA GAMA CHINOOK Chinook E15 75 Chinook E17 65 Potência Nominal Diâmetro Início de Produção / (Cut In Wind Speed) Produção Nominal/ (Rated wind speed) Velocidade de Paragem / (Cut Out Wind Speed) A turbina Chinook E15-75 tem uma potência mais elevada mas um diâmetro menor e tem como vantagem a possibilidade de funcionar até velocidades de vento mais elevadas. A turbina Chinook E17-65 tem uma menor potência nominal e um diâmetro maior e as vantagens em relação à turbina anterior são as velocidades inferiores a partir das quais começa a produzir energia e atinge o valor de produção nominal. Analisando a Figura 4.2 conclui-se que em termos de energia anual produzida, a utilização da turbina Chinook E15-75 só é profícua para velocidades médias anuais do vento superiores a 8 /, até essa velocidade a produção de energia anual da turbina Chinook E17-65 é sempre superior apesar desta dispor de uma potência nominal inferior. Na Figura 3.7 observa-se que no concelho de Vila do Bispo as velocidades são sempre inferiores 8 / pelo que a turbina seleccionada foi a Chinook E

36 FIGURA 4.2 VARIAÇÃO DA ENERGIA PRODUZIDA ANUALMENTE COM A VELOCIDADE MÉDIA DO VENTO PARA CADA TURBINA [9]. Numa estimativa inicial, a energia produzida anualmente pela Chinook E17-65 é: Estando agora disponíveis dados referentes às características técnicas da turbina a utilizar, pode recorrer-se a um método mais preciso para prever a energia eólica anual produzida PREVISÃO DA PRODUÇÃO EÓLICA USANDO UM MODELO DE VENTO QUASE ESTACIONARIO [8] Para efectuar uma previsão da produção com base neste modelo é necessário dispor de uma descrição matemática da velocidade do vento e da característica eléctrica do conversor eólico. A velocidade do vento,, pode ser caracterizada por um escoamento quase-estacionário representado por uma velocidade média, perturbada pela turbulência. Estas duas componentes podem ser tratadas separadamente: EQUAÇÃO 4.2 A turbina não reage a variações rápidas da velocidade do vento devido à sua inércia elevada (funciona como um filtro passa-baixo), pelo que usualmente se simplifica o modelo do vento, despreza-se a componente correspondente à turbulência e considera-se um modelo quaseestacionário em que apenas se tem em conta a velocidade média do vento. Para caracterizar esta componente do vento, recorre-se a funções estatísticas que indicam a probabilidade da velocidade média do vento ser igual a um determinado valor (funções de densidade de probabilidade). A descrição probabilística considerada mais adequada para descrever o regime de ventos é a de Weibull: 21

37 EQUAÇÃO 4.3 em que é um parâmetro de forma adimensional, é um parâmetro de escala com as dimensões da velocidade e a velocidade média do vento. Na base de dados EOLOS 2.0 encontram-se os valores destes parâmetros referentes à estação de Lagoa Funda (Figura 4.7). No documento que caracteriza a turbina seleccionada (Anexo) podemos encontrar a característica eléctrica do sistema de conversão do sistema de energia eólica que, neste caso, inclui também o rendimento do conversor AC-DC-AC. FIGURA CARACTERÍSTICA ELÉCTRICA DO SISTEMA DE CONVERSÃO DO SISTEMA DE ENERGIA EÓLICA (TURBINA EÓLICA + CONVERSOR) [9]. Esta característica indica o valor da potência que é possível produzir em função da velocidade do vento,. São indicadas também as velocidades a partir das quais a turbina entra em funcionamento (Cut-in Wind Speed / ), atinge a potência nominal (Rated Wind Speed - 10 /) e a velocidade a partir da qual a turbina deixa de funcionar porque a velocidade do vento é demasiado elevada (Cut-Out Wind Speed - 20 / ). Uma vez obtida uma representação do perfil de ventos e a característica eléctrica do gerador, o valor esperado para a energia eléctrica produzida anualmente pela turbina obtém-se da seguinte forma: 8760 EQUAÇÃO 4.4 Onde é a função densidade de probabilidade da velocidade média do vento, a característica eléctrica do sistema aero-gerador, é a velocidade de Cut-in Wind Speed e a 22

38 velocidade de Cut-Out Wind Speed. No ficheiro Previsão da Produção Eolica.xlsm, na folha com o nome Previsão Weibull, efectuou-se o cálculo da produção de energia eólica anual esperada em que se obteve: A que corresponde uma utilização anual da potência instalada de cerca de: Apesar das aproximações inerentes a este método (modelo do vento quase-estacionário) poderem inflacionar os resultados, este é mais preciso do que o método considerado anteriormente (Ponto 4.1.2), em que se assumia que a utilização anual da potência da turbina em questão seria semelhante à de uma turbina de 2. Considera-se, portanto, que os valores indicados estarão mais próximos da realidade. Contudo, por segurança, considerou-se uma penalização de aproximadamente 10% no valor de utilização anual da potência eólica instalada prevista por este método e sendo assim: PRODUÇÃO ANUAL DE ENERGIA FOTOVOLTAICA Tal com no caso da energia eólica, a produção anual de energia fotovoltaica depende fundamentalmente da disponibilidade energética do recurso utilizado, neste caso a radiação solar, que se pode traduzir na utilização anual da potência instalada e das características técnicas do sistema de conversão, neste caso, dos painéis fotovoltaicos utilizados. No caso do fotovoltaico, pode ainda associar-se ao sistema de conversão um sistema de seguimento da posição do sol (Tracker s), para optimizar a quantidade de radiação solar que incide nos painéis ao longo do dia TRACKER S A fixação dos painéis fotovoltaicos pode ser feita de duas formas distintas: através de estruturas fixas com a inclinação 5 que maximiza a radiação solar ou através de Tracker s - sistemas electromecânicos que seguem o movimento diário do Sol, mantendo o ângulo de incidência da radiação solar no painel fotovoltaico o mais próximo possível de 90º, maximizando 5 Usualmente a inclinação que maximiza a radiação solar é igual à latitude da localização de instalação do projecto. 23

39 assim a energia produzida. Existem dois sistemas de tracker s: com um eixo ou dois eixos. Nos sistemas de um eixo varia apenas a inclinação horizontal. O sistema de dois eixos oferece também a possibilidade de rotação - 360º em torno do eixo vertical que o suporta (Figura 4.4). FIGURA 4.4 TRACKER DE DOIS EIXOS [11]. A utilização de Tracker s em instalações fotovoltaicas só recentemente se vulgarizou, fundamentalmente devido aos processos de fabrico que tornaram estes equipamentos capazes de suportar condições adversas sem necessitarem de manutenção, diminuindo assim os custos associados à sua utilização ao longo da vida útil do projecto. Anteriormente os custos de O&M destes equipamentos podiam representar cerca de 15.5% do investimento total do projecto. Verificou-se também uma diminuição no preço de aquisição, o que reduz o impacto da instalação de Tracker s no investimento inicial do projecto. Além disso, o facto de a tecnologia estar mais madura, leva a que o impacto real da implementação de Tracker s sobre a quantidade de energia produzida seja melhor conhecido. Estimativas conservadoras atribuíam ao uso de Tracker s de dois eixos um aumento da energia produzida anualmente de aproximadamente 12.5%. Actualmente, os fabricantes destes equipamentos indicam um aumento de 20 a 25% para sistemas de um eixo e de 35 a 45% para sistemas de dois eixos [12], dependendo de factores como a latitude de instalação do projecto 6. Na Figura 4.5 pode observar-se o impacto do uso de Tracker s na performance de uma instalação fotovoltaica. 6 Quanto mais próximo do Equador for a localização do projecto, menor é o aumento da energia produzida. 24

40 FIGURA 4.5 COMPARAÇÃO DA PERFORMANCE DE UM PAINEL FOTOVOLTAICO FIXO COM UM EM ASSOCIAÇÃO COM SISTEMA DE TRACKER [11]. Os fabricantes disponibilizam Tracker s com diversas capacidades/superfícies que determinam o número de painéis que estes podem alojar. O consumo anual de operação destes sistemas varia entre 1 e 2 dependendo do tamanho. No projecto em questão, serão utilizados Tracker s da marca DEGERenergie (Anexo B) em particular os modelos DEGERtraker 300EL/1600EL e DEGERtraker 5000NT/7000NT, que disponibilizam superfícies de 16, 25, 40 e 60 respectivamente, dependendo do número de painéis a utilizar PAINÉIS FOTOVOLTAICOS Fundamentalmente, os critérios que condicionaram a escolha dos painéis fotovoltaicos foram: O custo dos painéis por watt pico, /, que irá influenciar de modo muito significativo o investimento inicial do projecto. O rendimento dos painéis (depende fundamentalmente da tecnologia de fabrico, tendo-se considerado apenas a que disponibiliza um rendimento mais elevado - silício monocristalino), que influencia de forma preponderante o número de painéis a utilizar e, por conseguinte, o número de Tracker s. Tendo em atenção estes factores, os painéis LS-200 fornecidos pela LoboSolar (Anexo C) são os que melhor se adaptam aos critérios indicados, com um rendimento de referência de 15.2% disponibilizam uma potência de pico de 200 em apenas O preço indicado pelo fornecedor é de 600 por painel. Estes serão os painéis fotovoltaicos utilizados no projecto em questão. No Quadro 4.2 indicam-se as características principais do painel escolhido. 25

41 QUADRO 4.2 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DO PAINEL SOLAR LS-200 DA LOBOSOLAR Dados Representação Valor Unidade Potência de pico 200 Corrente máxima Tensão máxima Corrente de curto circuito Tensão de circuito aberto Temperatura normal de funcionamento 46 Número de células em série 54 - Rendimento 15.2 % Comprimento 1519 Largura UTILIZAÇÃO ANUAL DA POTÊNCIA: Na Figura 4.6, observa-se que a estimativa da utilização anual da potência fotovoltaica para a região do oeste Algarvio é de aproximadamente 1600 para painéis fixos colocados com inclinação a Sul igual à latitude. Como já foi referido, o projecto em questão prevê a instalação dos painéis fotovoltaicos em Tracker s, pelo que segundo dados dos fabricantes, para sistemas de dois eixos o aumento de produção (e por conseguinte da utilização anual) será no mínimo de 35%. Optou-se por um valor mais cauteloso, visto estes valores serem largamente superiores aos considerados usualmente e por não haver dados independentes que confirmem claramente as estimativas dos fabricantes. Considerou-se, portanto, um aumento de 25% em relação a sistemas fixos, obtendo-se uma utilização anual da potência de pico de

42 FIGURA ÍNDICE / ( EXPRESSA EM ) EM SISTEMAS FOTOVOLTAICOS LIGADOS À REDE [AGUIAR] [13] Sendo assim, a energia a ser produzida anualmente pela parcela fotovoltaica será dada por: E portanto a potência da parcela fotovoltaica a instalar será de: O número de painéis fotovoltaicos a utilizar será: Os resultados encontrados nesta estimativa inicial encontram-se resumidos no Quadro

43 QUADRO ESTIMATIVAS INICIAIS DA ENERGIA CONSUMIDA, A PRODUZIR, POTÊNCIA A INSTALAR E UTILIZAÇÃO ANUAL DA POTÊNCIA. Energia Consumida Anualmente 192 Energia a Produzir Anualmente 250 Utilização anual da Potência Eólica 3340 Utilização anual da Potência Fotovoltaica 2000 Potencia Nominal Eólica a instalar 65 Potencia de pico Fotovoltaica a instalar 27.5 Produção Eólica 195 Produção Fotovoltaica FINE TUNNING SYSTEM (SIEMENS) De modo a que seja possível obter valores de tensão e corrente adequados aos equipamentos de electrónica de potência (Inversores, Reguladores, MPPT), os painéis fotovoltaicos são associados em série (Array s) e paralelo. A corrente máxima que percorre cada array é limitada pelo painel que disponibiliza o valor mais baixo de corrente máxima (. O fabricante fornece um valor médio para esta grandeza, no entanto verifica-se uma variação de 5% em cada painel. O fabricante quando fornece os painéis disponibiliza também uma ficha técnica de cada unidade onde figura o valor exacto desta grandeza. O sistema de Fine-Tunning desenvolvido pela Siemens consiste na ordenação dos painéis em cada array por ordem decrescente de valor. Eliminando a aleatoriedade da distribuição dos painéis conseguem-se ganhos de aproximadamente 2% na potência de pico. No caso em questão, utilizando este procedimento permite reduzir o número de painéis necessários para satisfazer a parcela de energia eólica a produzir e reduzir também o número ou a superfície dos Tracker s a instalar IDENTIFICAÇÃO DAS SITUAÇÕES MENOS FAVORÁVEIS DO PONTO DE VISTA DA PRODUÇÃO Para identificar quais os meses/dias em que os recursos utilizados na produção da energia são mais escassos, recorreu-se a informações sobre radiação, temperatura e velocidades do vento disponibilizadas pelo INETI - Instituto Nacional de Engenharia, Tecnologia e Inovação, I.P. A informação disponibilizada por este organismo (a informação detalhada sobre estes recursos não está disponível de forma gratuita) é constituída por um CD que contém uma base de dados do potencial energético do vento em Portugal (EOLOS 2.0) [14]. A base de dados facultada, apresenta perfis diários, médias mensais e anuais de velocidades de vento, rosa de ventos e os 28

44 parâmetros que caracterizam a distribuição de Weibull, utilizada para descrever as características da velocidade do vento para vários locais onde o INETI tem instaladas estações anemométricas. Foi fornecido também um ficheiro Excel com os valores médios de radiação e temperatura de 10 em 10 minutos de uma estação de monitorização que esteve instalada no concelho de Silves entre 10/03/2006 e 31/12/2006 e, por último, um ficheiro com os valores das velocidades médias horárias do vento durante o mês de Abril na estação de Foia, concelho de Monchique RECURSO FOTOVOLTAICO No ficheiro com os valores médios da radiação e temperatura referentes a Silves, fornecido pelo INETI, não estavam disponíveis os dados referentes ao período entre 01/01/2006 e 10/03/ De modo a identificar os meses menos favoráveis à produção de energia fotovoltaica foi necessário obter esses valores (Ficheiro: Previsão da Produção Fotovoltaica.xls). Para tal, visto que tínhamos disponíveis os mesmos dados referentes a Lisboa, determinou-se, através de dois dos meses conhecidos em ambos os locais, a razão média entre os valores de radiação nas duas localizações: Para testar se a aproximação estava correcta, obtiveram-se os valores médios diários da radiação do mês de Março de Silves a partir dos dados de Lisboa multiplicados pela constante. Verificou-se uma diferença de -1.5% entre os valores médios reais e os valores obtidos por este método. Para aumentar a exactidão do método, actualizou-se o valor do factor, de modo a corrigir essa discrepância, reduziu-se então 1.5% o valor da constante passando esta a Com esta correcção, a diferença de valores de radiação passou a ser de apenas de 0.001%. Efectuou-se o mesmo procedimento para a temperatura, depois de efectuadas as devidas correcções obteve-se e a diferença média entre os valores calculados e experimentais é de 0.016%. Através destes procedimentos completaram-se os dados referentes à média horária anual para a temperatura e radiação em Silves. A obtenção dos valores referentes ao concelho de Vila do Bispo foi feita com base nos dados da Figura 3.3 onde se observa o valor médio diário da irradiação solar em cada um dos concelhos. A partir destes valores (. 5.1 /, 5.2 / ) calculou-se um factor de escala pelo qual se multiplicam os valores referentes ao concelho de Silves para obter os respectivos valores no concelho de Vila do Bispo:

45 Há portanto uma diminuição da radiação de 2% de um concelho para o outro. Admitiu-se (visto não haver valores para comparar e serem locais relativamente próximos) que a temperatura é também afectada pela mesma variação. Com os dados obtidos calcularam-se as médias diárias, mensais e anuais para a radiação e temperatura no concelho de Vila do Bispo. Das médias mensais para a radiação (Quadro 4.4) conclui-se que o mês menos favorável para produção de energia fotovoltaica é Janeiro que coincide (já determinado atrás) com o mês de maior consumo. QUADRO VALORES DE RADIAÇÃO MÉDIA MENSAL NO CONCELHO DE VILA DO BISPO Mês Radiação Média Mensal / Janeiro 77,29 Fevereiro 104,12 Março 179,87 Abril 243,04 Maio 307,05 Junho 322,35 Julho 324,47 Agosto 288,91 Setembro 232,23 Outubro 144,01 Novembro 101,24 Dezembro 107, RECURSO EÓLICO A análise da base de dados EOLOS 2.0 tem que ser feita de forma cuidadosa. Nesta é possível consultar (entre outros) os dados referentes a uma estação do concelho de Monchique (Foia) e a duas estações do concelho de Vila do Bispo (Lagoa Funda e Vila do Bispo). Se compararmos de forma acrítica os dados destas estações, somos levados a concluir que o Concelho de Monchique (e ao contrário do que foi indicado anteriormente) é o que apresenta uma maior disponibilidade de recurso eólico. Temos no entanto, que ter em atenção que a altura dos sensores é diferente de estação para estação. Temos também que observar que a estação de Foia se encontra no ponto de maior altitude do concelho de Monchique o que não acontece com as estações do concelho de Vila do Bispo. Tendo em atenção estes factores vamos tomar como referência a estação de Lagoa Funda 30

46 (Figura 4.7) que é a que apresenta características mais semelhantes com o projecto em questão (Sensores da estação de Lagoa Funda a 24, a Turbina em projecto terá uma altura 32). FIGURA 4.7 CARACTERÍSTICAS DA ESTAÇÃO DE LAGOA FUNDA (EOLOS 2.0) [14] No separador Perfis pode-se observar (Figura 4.8) que a menor velocidade média do vento se regista no mês de Maio, sendo este portanto o mês menos favorável para a produção de energia eólica. 31

47 FIGURA 4.8 VARIAÇÃO DA VELOCIDADE MÉDIA DO VENTO COM A ALTITUDE, PERFIL DIÁRIO DA VELOCIDADE DO VENTO E VELOCIDADE MÉDIAS DO VENTO MENSAIS DA ESTAÇÃO DE LAGOA FUNDA (EOLOS 2.0) [14] Para efectuar uma análise mais pormenorizada sobre a energia produzida nos meses em que os recursos naturais são mais escassos ou que o consumo é mais elevado, teremos que ter disponíveis os valores médios horários da velocidade do vento nos meses em questão: Janeiro, mês em que se previram valores de consumo mais elevados e que é coincidente com o mês em que se anteviu uma menor produção de energia fotovoltaica. Maio, o mês em que se previu que a produção de energia eólica terá o seu valor mais baixo. Para obter estes valores, utilizaram-se como referência os dados sobre velocidades médias horárias do vento referentes ao mês de Abril de 1996 em Foia e efectuou-se um procedimento semelhante ao utilizado na determinação dos valores de radiação e temperatura em falta. Segundo a base de dados EOLOS 2.0, a velocidade média do vento em Foia é de 9.39 / à cota de 30, enquanto na estação de Lagoa Funda é de 7.26 / à cota de 24. De modo a relacionar as velocidades médias das duas localizações recorreu-se à lei logarítmica de : EQUAÇÃO 4.5 em que é a velocidade média do vento à altura, a chamada velocidade de atrito, a 32

48 constante de Von Karman (cujo valor é 0.4) e é conhecido por comprimento característico da rugosidade do solo (depende do tipo de terreno) [8]. Esta lei traduz a variação da velocidade do vento com a altura, que se deve ao atrito entre a superfície terrestre e o vento que provoca a diminuição da velocidade do vento para alturas mais baixas. A velocidade de atrito é um valor que depende da rugosidade do solo, da velocidade do vento e de forças que se desenvolvem na atmosfera, pelo que é difícil de calcular. Para ultrapassar essa dificuldade e visto que o que se pretende é obter o valor médio da velocidade do vento a uma determinada altura a partir dos valores a uma altura de referência, usa-se com mais frequência a equação: em que é a velocidade média à altura de referência [8]. EQUAÇÃO 4.6 Como não possuíamos informações sobre o valor do comprimento característico da rugosidade do solo, este foi calculado. A base de dados EOLOS 2.0 disponibiliza os valores de velocidade média do vento a duas cotas diferentes (24 e 10) na estação de Lagoa Funda, assim obteve-se 1 a partir da resolução da equação: Com estes dados obteve-se a velocidade média do vento na estação de Lagoa Funda para a mesma cota da estação de Foia ( 30): / 24 Posteriormente, determinou-se a razão entre as velocidades médias do vento na estação de Foia e de Lagoa Funda: Através desta constante calculou-se a média horária da velocidade do vento em Lagoa Funda no mês de Abril (Previsão da Produção Eólica.xlsm Folha: Lagoa Funda Abril) Na folha seguinte, verificou-se a validade do método utilizado, comparando o valor médio mensal dos valores encontrados para o mês de Abril com os indicados na Base de dados EOLOS 2.0. Verificou-se uma diferença de 1.1% entre a média calculada e a experimental. 33

49 Para estimar a velocidade do vento na estação de Lagoa Funda nos meses em questão, recorreu-se de novo à base de dados EOLOS 2.0 que indica a velocidade média do vento mensal. Calculou-se novamente a razão entre as velocidades médias dos meses em questão e o mês de Abril Multiplicando as constantes obtidas pelos valores da velocidade média horária do vento em Lagoa Funda no mês de Abril, obtiveram-se os valores referidos para o mês de Janeiro e Maio. Comparando os valores obtidos com os valores apresentados na base de dados verifica-se novamente um erro desprezável entre os valores médios mensais calculados e os experimentais VALOR HORÁRIO DA ENERGIA EÓLICA PRODUZIDA EM JANEIRO E MAIO O valor médio horário de energia eólica produzida obteve-se através da relação da curva de potência da turbina com os valores médios horários da velocidade do vento obtidos anteriormente. Para determinar a potência correspondente a cada velocidade média horária do vento representou-se a característica de potência da turbina por quatro troços: Até à velocidade de Cut-in Wind speed, a potência gerada pela turbina é zero. 0 ; 2.3 / 0 Para velocidades superiores às de Cut-in Wind Speed e inferiores às Rated Wind Speed a curva de potência foi aproximada por uma equação polinomial de 6º grau, de forma a reduzir o erro de aproximação. Esta equação foi obtida em Excel aplicando uma linha de tendência polinomial ao gráfico que representa a curva de potência entre os valores considerados. 2.5; 12 / A partir da velocidade de Rated Wind speed a turbina atinge a potência nominal 12; 25 / 75 A partir de 25 / a turbina pára para evitar a sua destruição (Cut-Out Wind Speed). 34

50 25 0 Utilizando este método construiu-se uma tabela (Previsão da Produção Eólica.xlsm) com os valores horários da energia produzida pela turbina em questão em Janeiro e Maio. Através da análise destes dados (soma dos valores horários de energia, Equação 4.7) obteve-se também a energia eólica total produzida nos referidos meses. EQUAÇÃO VALOR HORÁRIO DA ENERGIA FOTOVOLTAICA PRODUZIDA EM JANEIRO E MAIO Com base nos valores médios horários, da radiação e temperatura durante o ano no concelho de Vila do Bispo e nas características técnicas dos módulos fotovoltaicos, (indicadas no Ponto 4.2.2) foi calculado o valor horário da energia fotovoltaica produzida, utilizando o modelo simplificado para representar a célula fotovoltaica MODELO MATEMÁTICO DA CÉLULA FOTOVOLTAICA [13] A célula fotovoltaica pode ser modelada de forma simplificada através do circuito eléctrico equivalente apresentado na Figura 4.9. FIGURA 4.9 CIRCUITO ELÉCTRICO EQUIVALENTE DE UMA CÉLULA FOTOVOLTAICA LIGADA A UMA CARGA Z [13]. No circuito, representa a corrente eléctrica gerada pelo feixe de radiação luminosa, ao atingir a superfície activa da célula (efeito fotovoltaico); esta corrente unidireccional é constante para uma dada radiação incidente. O díodo que é atravessado por uma corrente interna unidireccional, que depende da tensão aos terminais da célula, representa o funcionamento da junção p-n. A corrente que se fecha através do díodo é: 35

51 1 EQUAÇÃO 4.8 Onde representa a corrente inversa máxima de saturação do díodo, é o factor de idealidade do díodo (díodo ideal: 1; díodo real: 1). é designado por potencial térmico: EQUAÇÃO 4.9 Em que é a constante de Boltzmann ( 1,38 10 /º ) e a carga eléctrica do electrão ( ). Nas condições de referência 298,16 e portanto 25. Analisando o circuito da Figura 4.9 conclui-se que a corrente que se fecha pela carga é: 1 EQUAÇÃO 4.10 As equações características de cada célula fotovoltaica definem a curva característica I-V. Na Figura 4.10 podem-se observar as curvas características de duas células diferentes. FIGURA 4.10 CURVA I-V DE DUAS CÉLULAS COM CARACTERÍSTICAS DIFERENTES [13]. Existem dois pontos de funcionamento das células que merecem especial atenção pois são utilizados pelos fabricantes para as caracterizar: Curto-Circuito exterior Neste ponto de funcionamento: 0 0 EQUAÇÃO 4.11 é o valor máximo da corrente de carga, é um dado fornecido pelo fabricante para determinadas condições de radiação incidente e temperatura 36

52 Circuito Aberto - Neste ponto de funcionamento: 0 ln 1 EQUAÇÃO 4.12 é o valor máximo da tensão aos terminais da célula, é também um dado fornecido pelo fabricante para determinadas condições de radiação incidente e temperatura. Da equação que caracteriza o funcionamento da célula em vazio obtém-se também a corrente inversa de saturação máxima do díodo: 1 EQUAÇÃO 4.13 A potência eléctrica de saída da célula fotovoltaica é dada por: 1 EQUAÇÃO 4.14 O ponto de potência máxima obtém-se derivando a Equação 4.14 em ordem à tensão e resolvendo-a através de métodos iterativos: 1 0 EQUAÇÃO Os fabricantes disponibilizam então os seguintes valores de referência:,,, e pelo que é desenvolvido um modelo (que tem por base estes valores) que permite escrever as seguintes equações para as condições de referência: 1 EQUAÇÃO 4.16 Aplicando a Equação 4.10 nos pontos de circuito aberto, curto-circuito e potência máxima obtém-se: 1 EQUAÇÃO

53 De onde se obtém o factor de idealidade do díodo em função dos parâmetros característicos da célula e que neste modelo se considera constante: 1 EQUAÇÃO 4.18 Uma vez obtido, foi possível determinar a corrente inversa de saturação nas condições de referência: 1 EQUAÇÃO 4.19 A corrente e a tensão gerada pela célula dependem não só das características do painel, mas também da temperatura ambiente e da radiação solar. Resultados experimentais mostram que variando a temperatura, mantendo o nível de radiação constante, se observam variações na potência de saída da célula, e em especial do valor da tensão em circuito aberto ( ) como se observa na Figura FIGURA 4.11 VARIAÇÃO DA CURVA I-V COM A TEMPERATURA, RESULTADOS EXPERIMENTAIS [13]. Verifica-se que a corrente de curto-circuito também varia com a temperatura mas de forma pouco visível pelo que o modelo simplificado considera que a temperatura tem apenas influência sobre o valor de que se reflecte no valor da corrente inversa de saturação nas condições de referência: EQUAÇÃO 4.20 Variando a radiação e mantendo a temperatura, verificam-se alterações mais significativas na corrente de curto-circuito como se observa na Figura 4.12 e é expresso de forma simplificada pela Equação

54 FIGURA VARIAÇÃO DA CURVA I-V COM A RADIAÇÃO, RESULTADOS EXPERIMENTAIS [13]. EQUAÇÃO 4.21 O valor de temperatura mensionado na Equação 4.20 refere-se à temperatura da célula que na fase de projecto não está disponível, no entanto esta pode ser estimada com base na temperatura normal de funcionamento da célula (NOCT), temperatura ambiente e radiação incidente na célula: EQUAÇÃO MÓDULOS FOTOVOLTAICOS [13] A aplicação do modelo matemático da célula aos módulos fotovoltaicos é feito tendo apenas em conta que as grandezas são relativas ao módulo fotovoltaico em vez de a uma única célula e segue o seguinte método de cálculo: Parâmetros Constantes: 1 Parâmetros que dependem da radiação: 39

55 Parâmetros que dependem da temperatura Corrente em função da tensão 1 Tensão Máxima 1 1 Corrente Máxima MODELO SIMPLIFICADO [13] O método anterior recorre a métodos iterativos para calcular a potência máxima do painel para determinada radiação e temperatura. No entanto, o cálculo da potência máxima pode ser efectuado recorrendo a uma expressão relativamente mais simples, que dispensa a resolução da equação não linear. Os resultados experimentais e de simulação mostram que, depende fundamentalmente da radiação. Admite-se então, que a corrente máxima,, segue a mesma variação, o que define imediatamente a corrente máxima em função da radiação (Equação 4.23). EQUAÇÃO 4.23 A tensão máxima,, pode ser determinada tendo em conta a dependência das correntes de curto-circuito e máxima da radiação e a variação da corrente inversa de saturação com a temperatura. A expressão obtida é: ln EQUAÇÃO

56 A potência máxima é então obtida através da Equação EQUAÇÃO 4.25 As simplificações consideradas neste modelo têm um impacto reduzido nos resultados obtidos, estes apresentam sempre um erro inferior a 2% quando comparados com os obtidos pela resolução da equação não linear através de métodos iterativos. Na prática, o valor de tensão é controlado externamente por um equipamento (MPPT- Maximum Power Point Tracker) que, de acordo com as condições ambientais de temperatura e radiação e com as condições impostas pela rede, ajusta a tensão de saída do módulo de modo a que o funcionamento se processe no ponto correspondente à potência máxima. Com base no modelo descrito, foi calculada a potência média horária por metro quadrado de painel fotovoltaico. A partir desta potência 7, obteve-se a Energia horária produzida por cada painel e finalmente pelo conjunto de painéis a instalar: EQUAÇÃO 4.26 A energia mensal obteve-se, como no caso da energia eólica, somando o valor da energia horária de todas as horas do mês (Previsão da Produção Fotovoltaica.xls) BALANÇO ENERGÉTICO NAS SITUAÇÕES MENOS FAVORÁVEIS Através da comparação entre os valores de energia necessária para satisfazer as exigências de consumo e a energia disponibilizada pelas unidades de produção será possível determinar quais os requisitos que caracterizam o sistema de armazenamento de forma a garantir a disponibilidade permanente do sistema em estudo. Os valores de energia disponibilizada pelo gerador eólico são os calculados no ponto 4.4 que já têm em conta o rendimento dos conversores de potência necessários para a ligação deste gerador à rede. No caso da fotovoltaica, os valores determinados no ponto 4.5 correspondem à energia produzida pelos painéis fotovoltaicos, pelo que a energia disponibilizada por estes é ainda afectada pelo rendimento do conjunto MPPT+Conversor. O rendimento destes dispositivos varia, usualmente, entre os 85% em dispositivos mais antigos a funcionaram com valores de carga reduzidos, e os 97% nos dispositivos mais recentes a funcionarem à potência nominal. No caso em questão considerou-se o pior caso, portanto a energia disponibilizada pela parcela fotovoltaica considerou-se 15% inferior ao valor produzido pelos respectivos painéis fotovoltaicos

57 Finalmente, de modo a ter em conta as perdas correspondentes à possível utilização de um conversor (Inversor/Ondulador) entre a produção e o consumo, considerou-se que a energia a disponibilizar pelos sistemas de produção tem que ser 10% superior à energia necessária para satisfazer as necessidades de consumo, o que corresponde a considerar um rendimento mínimo do inversor de 90% (Ficheiro: Balanço Energia.xlsm) BALANÇO MENSAL Inicialmente foi confirmado se nos meses identificados como menos favoráveis a energia total disponibilizada pela produção é superior à energia consumida. No mês de Janeiro a energia que é necessário fornecer aos consumidores foi de 23, a energia eólica produzida 27.7 e fotovoltaica O balanço de energia é positivo. Constatou-se que a produção é 27.4% superior ao consumo. No mês de Maio a energia consumida foi de 14.7, a energia eólica produzida 14.7 e fotovoltaica O balanço de energia é também positivo e a produção é 47% superior ao consumo, pelo que o sistema de produção cumpre largamente um dos principais requisitos do projecto. Do ponto de vista da relação entre a energia total produzida e consumida, Janeiro é o mês menos favorável. Apesar de apresentar um balanço positivo, este é inferior ao do mês de Março BALANÇO DIÁRIO E HORÁRIO Posteriormente foi avaliado o andamento da produção e do consumo ao longo dos meses já indicados. Idealmente, caso existissem dados disponíveis, essa comparação seria feita de forma contínua (em tempo real), mas como os dados de que dispomos se referem a valores discretos - médias horárias - foi esta a precisão máxima da análise efectuada. Os dados sobre o consumo estão agrupados em intervalos de 15 minutos pelo que para os podermos comparar com a produção teremos que obter os valores horários do consumo. Para tal somaram-se os valores médios da energia de cada quarto de hora pertencentes a cada hora do mês de Janeiro e Maio: EQUAÇÃO

58 Tal como para a energia mensal total, os valores de energia produzida a cada hora foram obtidos somando os valores horários da energia eólica e fotovoltaica disponível: EQUAÇÃO 4.28 Obteve-se o balanço de energia subtraindo-se a energia necessária para satisfazer o consumo à energia total produzida em cada intervalo horário. EQUAÇÃO 4.29 Somaram-se os valores horários do balanço de energia em cada dia e determinou-se assim o balanço diário de energia de Janeiro e Maio (Figura 4.13). Da análise do gráfico e com auxílio dos dados referentes ao balanço da energia diário para os dois meses em questão (presentes no ficheiro Balanço Energia.xlsm) é possível constatar que Janeiro é o mês que apresenta valores mais elevados de energia excedente (dia 10/01) e também o dia com deficit energético mais elevado (18/01), dia em que o sistema de armazenamento será mais solicitado. Maio apresenta a maior sequência de dias consecutivos com balanço de energia negativo (oito dias entre 11/05 e 18/05). FIGURA 4.13 BALANÇO DE ENERGIA DO MÊS DE JANEIRO No Quadro 4.5 apresenta-se um resumo dos valores mais importantes que se extraem do gráfico da Figura 4.13 e que nos permitem concluir acerca dos valores que vão caracterizar a capacidade do sistema de armazenamento. 43

59 QUADRO 4.5 DEFICIT DE ENERGIA MAXIMO EM JANEIRO E MAIO Janeiro Maio Deficit Máximo de energia em Deficit Máximo de energia em Deficit Máximo de energia em Deficit Máximo de energia em Maior Sequência de Dias com Balanço Negativo 3 Dias 8 Dias Deficit Energético da Sequência de Dias com Balanço Negativo Constata-se que Janeiro é o mês que apresenta os valores mais elevados de energia a fornecer pelo sistema de armazenamento em 1 (às 21: 00 do dia 11/01), 24 (dia 18/01), 48 (dias 13/01 e 14/01) e 72 (entre 12/01 e 14/01). Dado que Maio é o mês que apresenta a maior sequência de dias com balanço negativo (8 dias entre 11/05 e 18/05), é este o mês que exige uma maior capacidade do sistema de armazenamento em 192. Será, portanto, no final dos períodos atrás identificados que o sistema de armazenamento apresentará valores de carga mínimos visto os dias indicados serem os mais exigentes ao longo do ano. Conclui-se, portanto, que se o sistema de armazenamento conseguir garantir o fornecimento de forma ininterrupta durante os períodos indicados e nos instantes imediatamente a seguir, estará garantido o correctamente dimensionado deste sistema para corresponder às exigências de consumo anuais da população em questão. 44

60 5. ARMAZENAMENTO 5.1. ESCOLHA DO SISTEMA DE ARMAZENAMENTO Foram ponderadas três soluções distintas para a execução do sistema de armazenamento. Este terá como requisitos principais a fiabilidade, eficácia e rapidez de resposta face às exigências de consumo ou às limitações da produção, num determinado período de tempo, por um custo aceitável ÁGUA Uma das soluções ponderadas foi o armazenamento da energia através da água, aumentando a sua energia potencial quando a produção de energia é superior ao consumo (elevando-a para um reservatório colocado a uma cota ) e recuperando posteriormente esta energia quando a produção não satisfaz o consumo (através de uma turbina acoplada a um gerador). Esta solução foi abandonada devido à sua especificidade, só sendo viável quando está disponível um curso natural de água de preferência numa zona com um declive acentuado onde se possa construir uma pequena albufeira. De outra forma o investimento inicial do sistema de armazenamento+produção e a quantidade de água necessária seriam demasiado elevados tornando-se inviável quer do ponto de vista ambiental quer do ponto de vista económico. É também um sistema de armazenamento que apresenta um tempo de arranque relativamente elevado o que inviabiliza a sua utilização sem ser em conjunto com outra tecnologia de armazenamento que satisfaça o consumo nos segundos que o sistema leva a entrar em produção PILHAS DE COMBUSTÍVEL Isoladamente, as pilhas de combustível (FC - Fuel Cell) são apenas uma forma de produzir energia a partir de um combustível, com emissão de gases poluentes reduzida ou nula. É a possibilidade de armazenar o combustível utilizado pelas FC e de o produzir a partir de fontes renováveis que transformam as FC num sistema de armazenamento. Esta é uma tecnologia ainda em fase de maturação mas muito promissora. O princípio de funcionamento de uma FC é semelhante ao de uma bateria. Trata-se de um processo electroquímico que converte energia química (de uma substância hidrogenada) em energia eléctrica. Em geral, uma FC é composta por um ânodo e um cátodo porosos, cada um revestido num dos lados por uma camada catalisadora de platina, e separados por um electrólito (Figura 5.1). 45

61 FIGURA 5.1 REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA SIMPLIFICADA DE UMA PILHA DE COMBUSTÍVEL [15]. Durante o processo de conversão liberta-se calor, o que implica que uma parte da energia química não é convertida em electricidade e portanto o processo não tem um rendimento de 100% (dependendo da tecnologia varia entre os 35% e os 60%). Em sistemas de cogeração, o calor libertado pode ser aproveitado, o que aumenta o rendimento global. No estudo em questão não se coloca esta hipótese visto que os processos de cogeração existentes implicam a utilização de combustíveis fósseis. São conhecidos cinco tipos de FC cujo princípio de funcionamento é comum: AFC Alkaline Fuel Cell PEFC / PEM Polymer Electrolyte Fuel Cell / Proton Exchange Membrane PAFC Phosphoric Acid Fuel Cell MCFC Molten Carbonate Fuel Cell SOFC Solid Oxid Fuel Cell As pilhas de combustível do tipo PEFC e PAFC agrupam-se na categoria de baixa temperatura de funcionamento, enquanto as MCFC e SOFC pertencem à categoria de alta temperatura de funcionamento. As pilhas de combustível do tipo AFC foram desenvolvidas no âmbito da investigação espacial incluindo as missões Apollo e o Space Shuttle. O elevado custo de produção tem sido o factor responsável pelo atraso no desenvolvimento de deste tipo de FC, quando comparado com o desenvolvimento das PEFC ou PAFC. As FC de baixa temperatura de funcionamento requerem um processamento do combustível mais complexo pois só podem funcionar com hidrogénio molecular puro, como tal é necessário equipamento auxiliar (reformador) para converter o combustível primário (gás natural, metanol, gasolina, água) em hidrogénio. No Quadro 5.1 apresentam-se as principais características de cada tipo de FC. 46

62 QUADRO 5.1 CARACTERÍSTICAS DE CADA TIPO DE PILHAS DE COMBUSTÍVEL [16]. As FC apresentam várias vantagens, nomeadamente o reduzido impacte ambiental, a elevada fiabilidade ou o carácter modular inerente à tecnologia, que favorece a sua aplicação em sistemas de produção descentralizada. Contudo, a característica que aumenta o interesse da utilização desta tecnologia em conjunto com fontes renováveis é a elevada flexibilidade de utilização do combustível (hidrogénio) em diversas aplicações que se encontram descritas no Quadro 5.2. QUADRO 5.2 APLICAÇÃO DAS PILHAS DE COMBUSTÍVEL [15]. Se forem usadas fontes de energia renováveis na obtenção (a partir da água) do combustível utilizado pelas FC, então este será um sistema de armazenamento de energia praticamente isento de emissões poluentes e que pode ser utilizado em vários dispositivos. Tendo uma visão de longo prazo, o combustível produzido em excesso poderia servir para abastecer também os veículos utilizados pelos habitantes da povoação em estudo, o que poderia aumentar o interesse na utilização desta tecnologia no projecto. Neste cenário, haveria também a possibilidade da ligação dos veículos propulsionados com base em sistemas de FC à rede eléctrica da aldeia e em alturas de ponta, seriam estes a auxiliar 47

63 os sistemas de armazenamento fixo a alimentar o sistema energético reduzindo assim as necessidades de armazenamento e aumentando a rentabilidade do projecto. A constituição de um sistema de armazenamento baseado em pilhas de combustível teria que prever o dimensionamento, além da pilha de combustível, de elementos que realizem os seguintes processos: Produção de Hidrogénio Um dos processos para produção de hidrogénio, aproveitando a energia produzida em excesso pelas fontes renováveis, é a electrólise da água. Denomina-se processo electrolítico, aquele em que reacções químicas são desencadeadas a partir de uma fonte electromotriz externa ao sistema químico. Em geral, o fornecimento de tensão e corrente é feito através de eléctrodos entre os quais existe um meio condutor iónico. Os electrolisadores modernos apresentam coberturas especiais nos eléctrodos, com deposição de catalisadores e superfícies rugosas. Alguns modelos utilizam membranas separadoras à base de teflon ou outros materiais, permitindo a operação do electrolisador com temperaturas mais elevadas, entre 80 e 120 e consequentemente, sob pressão. Em geral, apresentam rendimentos entre 75% e 85%. Armazenamento do hidrogénio O hidrogénio é mais frequentemente produzido, armazenado, transportando e utilizado no estado gasoso. Neste estado, o hidrogénio acarreta dificuldades adicionais no seu confinamento. O armazenamento é feito em cilindros pressurizados fabricados com materiais especiais, em geral com 150 ou 200, contendo entre 6 e 10. Tal sistema exige o emprego de compressores e consequente gasto de energia. Sistemas de Segurança Devido à sua grande inflamabilidade o hidrogénio exige também a tomada de medidas de segurança adequadas. O tratamento dispensado ao hidrogénio é o mesmo requerido pela produção, transporte e armazenamento de gás natural e GLP. Tendo um peso molecular baixo e uma densidade de /, na ocorrência de qualquer fuga este gás sobe pelo que é exigido que os locais de produção e armazenamento de hidrogénio sejam bem ventilados e com abertura na parte superior da edificação. O hidrogénio é uma substância atóxica, insípida, inodora e incolor, a sua presença no ambiente só é detectável via sistemas de detecção e alarme, que devem ser obrigatoriamente instalados no local de produção. 48

64 Além dos sistemas acima referidos, o sistema de armazenamento necessita de outros equipamentos auxiliares que podem incluir componentes como: Compressor ou ventilador para fornecer o ar ao cátodo Reformador caso se utilize um hidrocarboneto como combustível Circuito de refrigeração Separador para remoção da água obtida nos produtos da reacção Bomba para recirculação dos gases rejeitados pelo ânodo Controlador do sistema Dispositivos de controlo de Sistema de armazenagem e alimentação do combustível Tal como todos os sistemas, o armazenamento baseado em pilhas de combustível apresenta várias desvantagens das quais se salientam - o tempo de vida útil limitado e ainda pouco conhecido, a perda de eficiência eléctrica do sistema de FC ao longo do tempo ou o baixo nível de desenvolvimento da tecnologia. Contudo, as desvantagens que levaram a preterir este sistema em relação a outras tecnologias usualmente adoptadas (bancos de baterias), foram o elevado custo actual da tecnologia e o rendimento relativamente baixo dos sistemas baseados em FC. Actualmente, um sistema deste género teria, considerando estimativas muito optimistas, um rendimento máximo de aproximadamente 50% (desprezando as perdas na pressurização do hidrogénio e dos inversores, considerou-se apenas o rendimento máximo da pilha de combustível ~60% e do electrolizador ~85%). Também o tempo de latência para inicio de produção que caracteriza actualmente estes sistemas (de minutos a horas) obrigaria à utilização de um sistema de armazenamento complementar a ser utilizado até à entrada em produção da FC. Este tipo de armazenamento não será detalhadamente dimensionado, mas no Capítulo 9 será avaliado o impacte da inclusão desta tecnologia na viabilidade económica do projecto BATERIAS A terceira e última solução considerada foi o uso de um banco de baterias. Não se pretende aqui fazer um estudo aprofundado sobre o funcionamento e constituição das baterias, faz-se apenas uma introdução aos conceitos necessários durante o dimensionamento e selecção das baterias a utilizar. Na Figura 5.2 observa-se um esquema simplificado de uma célula de bateria. Estas são compostas por um eléctrodo negativo (ex: Chumbo - ) que durante a descarga fornece electrões à carga ligada à bateria e um eléctrodo positivo (ex: dióxido de chumbo - ) que aceita electrões da carga. O electrólito completa o circuito interno da bateria fornecendo iões ao eléctrodo positivo e negativo. O separador é usado para impedir que haja curto-circuito entre o eléctrodo positivo e o negativo. O tipo de separador usado varia de acordo com o tipo de bateria, 49

65 este tem que permitir a transferência de iões entre os dois lados do electrólito e é usualmente feito de plástico poroso ou fibra de vidro. FIGURA 5.2 ESQUEMA SIMPLIFICADO DE UMA CÉLULA DE BATERIA As baterias comerciais são usualmente construídas por associações em série e em paralelo de várias unidades básicas (células) que usualmente têm uma tensão de 2. Podemos observar uma dessas células na Figura 5.3. De modo a garantir um tempo de vida útil máximo a todas as células constituintes do banco de baterias, devem-se associar elementos com a mesma capacidade, de preferência da mesma marca, brand e modelo. FIGURA 5.3 CONSTITUIÇÃO DE UMA CÉLULA DE 2V DE UMA BATERIA ESTACIONÁRIA [17]. Durante a fase de selecção e dimensionamento das baterias a utilizar, deverá ter-se em atenção as seguintes características: 50

66 Capacidade da Bateria Quantidade de energia que uma bateria pode fornecer quando descarregada de forma uniforme ao longo de um dado período de tempo. É medida em amperes-hora (). Portanto, se uma bateria indicar uma capacidade de 2000, 100, significa que a uma temperatura ambiente de 25 poderá fornecer 20 durante 100 após as quais a tensão aos terminais de cada célula será de o Caso seja descarregada com uma corrente mais elevada, a sua capacidade é consideravelmente reduzida. o A corrente máxima de carregamento/descarregamento deverá ser inferior a 10% da capacidade da bateria em. o A capacidade das baterias varia com a temperatura. A capacidade indicada pelos fabricantes é usualmente medida a 25. o A capacidade da bateria diminui com a idade e o uso. Profundidade de Descarga (DOD Depth of Discharge) Indica a percentagem da capacidade nominal que é usada antes de se proceder ao recarregamento da bateria. A medida da DOD é relacionada pelos fabricantes com a tensão da bateria (. A capacidade é dada considerando descargas até determinada tensão da bateria. o o o Quanto menor a tensão maior a profundidade de descarga. Quanto menor o tempo de descarga mais profunda pode ser essa descarga. Quanto mais profunda for a descarga menor será o número de ciclos que a bateria irá durar. Tempo de Vida Útil É dada em números de ciclos de carga/descarga. Considera-se que uma bateria atingiu o final de vida útil quando a capacidade é reduzida a 80% da capacidade nominal. Em geral o tempo de vida útil depende das condições em que funciona a bateria, varia com a corrente de descarga, a temperatura de funcionamento ou a profundidade de descarga. Como se observa na Figura 5.4 o tempo de vida útil é máximo para uma temperatura de funcionamento de 25 sendo progressivamente reduzido para temperaturas mais elevadas. Na Figura 5.5 constata-se que o tempo de vida útil é reduzido de forma exponencial com o aumento da profundidade de descarga. 51

67 FIGURA EXPECTATIVA DE VIDA ÚTIL EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA DE TRABALHO (MOURA CLEAN) [18]. FIGURA 5.5 RELAÇÃO ENTRE O NÚMERO DE CICLOS E A PROFUNDIDADE DE DESCARGA (MOURA CLEAN) [18]. Auto Descarga - É resultante de correntes internas na bateria, devido a estas correntes, verifica-se perda de carga mesmo que a bateria não seja utilizada. Os fabricantes indicam usualmente a carga perdida por dia ou mês. Densidade de Energia - É definida como a quantidade de energia armazenada por unidade de volume ou peso. É usualmente medida em Watt-hora por quilograma (/). Rendimento das Baterias Estão presentes alguns tipos de perdas associadas à tecnologia utilizada nas baterias pelo que o seu rendimento é sempre inferior a 100%. Verifica-se que alguma da energia dispendida no carregamento é dissipada entre outros sobre a forma de calor. Observa-se também que a carga da bateria vai diminuindo ao longo do tempo apesar de esta não ser utilizada. Esta diminuição da capacidade é fortemente influenciada pela temperatura de armazenamento da bateria. As perdas totais da bateria variam de tecnologia para tecnologia e de acordo com as condições de funcionamento, mas é frequente considerar no dimensionamento perdas de aproximadamente 20%. 52

68 As baterias podem ser classificadas em dois grupos principais: baterias não recarregáveis, que só podem ser usadas uma vez (primárias), e as recarregáveis (secundárias). No presente estudo será apenas abordado o segundo grupo, baterias secundárias, por serem aquelas que apresentam características apropriadas ao projecto em questão. Entre os vários tipos de baterias recarregáveis, enumeram-se as cinco tecnologias mais utilizadas, assim como as suas vantagens e desvantagens: Baterias de Prata - Zinco () As células destas baterias utilizam uma solução de hidróxido de potássio como electrólito, gerando uma reacção exotérmica e a liberação de gases, característica mais acentuada para correntes de descarga elevadas. Actualmente, é uma das baterias que possui uma densidade de energia ( 75 / ) e fiabilidade mais elevada. É aplicada mais frequentemente na indústria militar e aeroespacial. Como desvantagem estas baterias apresentam um elevado custo de fabrico e a composição à base de materiais bastante perigosos. Dadas estas características, as baterias de Prata - Zinco tornam-se pouco atractivas para o uso comercial. Baterias de Iões de Lítio ( ) Apresentam como principais vantagens a disponibilidade de picos de densidade de energia muito elevados (>100 /) e uma eficiência mais elevada do que a das baterias à base de chumbo ou níquel, têm no entanto um tempo de vida útil menor. São muito utilizadas em telemóveis e computadores portáteis, onde o volume, o peso e a autonomia são mais importantes do que o tempo de vida útil. Estas baterias necessitam de um controle de carga preciso devido à baixa tolerância à sobrecarga. Durante a descarga, se a tensão da célula descer abaixo dos 2.5, a bateria pode ficar permanentemente danificada. O custo destas baterias é inferior às de, mas mesmo assim elevado. Baterias de Níquel - Cádmio () Eram usualmente utilizadas em aparelhos domésticos (telemóveis, máquinas de filmar, computadores, entre outros). A célula de é composta por um ânodo metálico de cádmio, um cátodo de óxido de níquel e um eletrólito de hidróxido de potássio. Esta bateria possui densidade de energia (50 /) maior que a de chumbo ácido, bem como uma vida útil maior. A sua longa durabilidade está associada ao material utilizado no fabrico das placas - aço sólido - relativamente imune aos agentes químicos onde estão imersas, mantendo inalterada a integridade mecânica e a condutividade eléctrica da célula. 53

69 Possuem também uma menor susceptibilidade à variação de temperatura, quando comparadas com as baterias de chumbo ácido. A maior desvantagem deste tipo de baterias é a redução da capacidade de recarga ao longo da sua vida útil, sendo afectadas pelo efeito memória, o que obriga à utilização de carregadores com controlo de carga dispendiosos (a variação da tensão com a carga da bateria é praticamente nula). Outro grande inconveniente das baterias de é sua toxicidade. O cádmio é um metal altamente tóxico, pelo que o seu uso tem vindo a ser questionado por razões ambientais. Baterias Níquel - Metal Hidreto () Pode ser considerada como uma extensão da tecnologia da bateria de, mas com algumas diferenças. A maior delas encontra-se na construção do ânodo, que é feito com hidreto metálico e não utiliza cádmio na sua constituição. A maior vantagem desta bateria é não possuir efeito memória. Quanto às desvantagens, salienta-se o custo elevado, a baixa capacidade para fornecer picos de corrente, o risco elevado de ficar inutilizável devido a sobrecargas e uma taxa de auto descarga relativamente elevada. Baterias de Chumbo Ácido (Pb-Ácido) As baterias de chumbo ácido são fabricadas da mesma forma há várias décadas pelo que é uma tecnologia bem dominada. As principais vantagens que lhe são atribuídas - elevada fiabilidade, disponibilidade e durabilidade 8 associados a um custo reduzido justificam o sucesso desta tecnologia em várias áreas de aplicação. Outro factor de relevância desta tecnologia é o elevado rendimento que esta apresenta, aproximadamente 85%. Como inconvenientes apontam-se o peso e o volume elevado (baixa densidade de energia (35 /), que impedem que estas baterias sejam utilizadas em aplicações onde estes factores são determinantes. Comparando os prós e contras das várias tecnologias de armazenamento disponíveis, concluise que aquela que melhor cumpre os requisitos exigidos (fiabilidade, eficácia e rapidez de resposta, a um custo razoável) é o armazenamento através de bancos de baterias. Dentro desta tecnologia, as baterias de chumbo ácido, devido às vantagens atrás apresentadas, são as que melhor se adaptam ao projecto em questão, pelo que será feito um estudo mais detalhado sobre esta tecnologia e sobre os modelos existentes dentro deste grupo de baterias. 8 A durabilidade é dependente da forma de descarga e da temperatura de operação, o que dificulta a determinação da carga remanescente. Isto pode ser solucionado usando sistemas de monitorização e controle sofisticados juntamente com algoritmos de recarga com diferentes etapas controladas 54

70 As baterias de chumbo ácido são compostas por placas positivas de dióxido de chumbo, placas negativas de chumbo e pelo electrólito - ácido sulfúrico. Na Equação 5.1 encontra-se descrita a reacção química que representa o processo de carga/descarga da bateria de chumbo ácido. 2 Descarga Carga 2 EQUAÇÃO 5.1 Durante a descarga o dióxido de chumbo, o chumbo e o ácido sulfúrico reagem formando sulfato de chumbo e água. Durante o processo de carregamento da bateria a reacção é a inversa, contudo, uma sobrecarga pode dar origem à formação de hidrogénio e oxigénio (estado gasoso) e à consequente perda de água. A actual tecnologia já permite a construção de separadores que convertem estes gases em água. Além dos factores já referidos comuns a todas as baterias que podem afectar o tempo de vida útil, existem três tipos de problemas químicos associados à tecnologia empregue nestas baterias que contribuem para a diminuição do tempo de vida útil das baterias de chumbo ácido. A corrosão do eléctrodo positivo pela transformação do chumbo metálico em óxidos de chumbo, que leva ao aumento da resistência interna da bateria e perda de material activo no eléctrodo. A degradação do eléctrodo positivo devido a fadiga mecânica provocada pela constante transformação do material durante a carga/descarga ( ). Este processo pode levar à ruptura do eléctrodo. A sulfatação causada pela recristalização dos cristais de em grânulos de, que ocorre quando a bateria se encontra com pouca carga durante longos períodos de tempo. Há algumas medidas que podem ser tomadas com vista à minimização ou resolução das questões anteriormente apontadas. Actualmente, são utilizadas ligas com prata (por ser um excelente condutor), cálcio ou selénio (minimizam a corrosão), para minimizar o aumento da resistência eléctrica provocada pela corrosão do eléctrodo positivo. Para evitar a fadiga mecânica é utilizado antimónio na construção dos eléctrodos para aumentar a resistência mecânica das placas. Contudo, o aumento da vida útil da bateria através destes processos tem como inconveniente a diminuição da manutenção da carga. Este tipo de bateria deve ser carregado de tempos a tempos de modo a evitar a sulfatação das placas e a deterioração definitiva das mesmas. Dependendo do tipo de aplicação, as baterias de chumbo ácido podem ser classificadas como automotoras, traccionárias ou estacionárias. O tipo de aplicação determina a solução construtiva de cada tipo de bateria. 55

71 Baterias automotoras São usadas principalmente no accionamento dos motores de arranque dos automóveis. A característica que condiciona o dimensionamento deste tipo de baterias é a corrente elevada que estas têm que conseguir fornecer durante um intervalo de tempo reduzido. Estas baterias têm usualmente placas muito finas (em média 1 ), com uma área grande e são projectadas para descargas inferiores a 1% a 5% da capacidade nominal. Descargas de 80% podem reduzir o tempo de vida útil da bateria para ciclos. Nestas baterias não são adoptadas medidas para minimizar a sulfatação visto que em geral o electrólito é movimentado com muita frequência. Baterias Traccionárias Usualmente são utilizadas em veículos de tracção como empilhadoras eléctricas, carrinhos de golfe ou veículos industriais. São projectadas de forma a poderem perder até 80% da carga total várias vezes, são construídas com placas internas que têm uma espessura característica com cerca de 4.2. Como são projectadas para profundidades de descarga elevadas, necessitam de manutenção muito frequente que consiste essencialmente na adição de água destilada de modo a completar o volume de electrólito. Esta característica torna-a menos atractiva para outras aplicações. Comercialmente, só são encontradas como baterias de grande volume e tensões de no mínimo 48 V, sendo geralmente fabricadas por encomenda. Baterias Estacionárias As características das baterias estacionárias encontram-se num meio-termo entre as características das baterias anteriormente descritas, ou seja, possuem placas mais grossas do que as baterias automóveis e mais finas do que as baterias traccionárias e dependendo do fim a que se destinam podem ser construídas com base em três tipos de electrólitos: o Electrólito em Gel - As baterias de gel contêm um ácido que foi transformado numa pasta gelatinosa, para tal, adiciona-se sílica gel ao ácido. A vantagem da utilização deste tipo de electrólito é o aumento da segurança, visto que desta forma não existe o risco de derrame ou de salpicos de ácido sulfúrico na zona circundante ou até sobre os utilizadores. A desvantagem deste tipo de baterias é diminuição da corrente máxima de carga/descarga suportadas, de modo a prevenir a formação de excesso de gás. 56

72 o AGM (Absorbed Glass Mat 9 ) - As baterias em meio sólido, ou tipo AGM, são caracterizadas por terem os eléctrodos imersos num material semelhante a uma fibra de vidro. Este tipo de bateria possui características semelhantes às das baterias de gel, possuindo também baixas taxas de carga/descarga. o Electrólito Fluido - Nas baterias de chumbo ácidas o electrólito é ácido sulfúrico diluído ( ) que quando a bateria se encontra completamente carregada é composto por 75% de Água e 25% de ácido sulfúrico. Estas baterias têm pequenas válvulas que podem, ou não, ser removidas. No caso das baterias seladas, ou livres de manutenção, as válvulas não podem ser removidas e servem unicamente para regular a pressão interna das mesmas, (devido à formação de gases durante o período de carga) são conhecidas por baterias reguladas a válvula (VRLA). As baterias VRLA apresentam uma diminuição acentuada do tempo de vida útil com o aumento da temperatura (Figura 5.6), pelo que devem ser instaladas num local com ambiente controlado, onde a temperatura deverá rondar os 25. FIGURA 5.6 VARIAÇÃO DO TEMPO DE VIDA ÚTILA PARA BATERIAS VRLA E SPV [18]. Quando a instalação de sistemas de controlo da temperatura por alguma razão não é viável, a solução pode passar pela utilização de baterias com válvulas com membranas de permeabilidade selectiva (SPV). Esta membrana especial, Figura 5.7, converte o hidrogénio e o oxigénio em água, reduzindo as perdas de água até 95%. Sendo assim o tempo de vida útil destas baterias é pouco afectado pela temperatura de funcionamento a que são submetidas (Figura 5.6). 9 Semelhante a fibra de vidro 57

73 FIGURA 5.7 COMPONENTES DE UMA BATERIA COM VÁLVULA DE PERMEABILIDADE SELECTIVA (MOURA CLEAN) [18]. Actualmente, devido às suas características técnicas e mecânicas, a tendência Mundial é a utilização de baterias reguladas à válvula (VRLA) que simplificam muito a instalação e manutenção, permitindo assim reduzir custos e manter uma fiabilidade superior, pelo que será este o tipo de baterias utilizado neste projecto. Considera-se fora do âmbito desta tese o dimensionamento da estrutura onde será instalado o sistema de armazenamento, sugere-se no entanto que o dimensionamento da estrutura em questão seja feito de acordo com as práticas sugeridas no standard IEEE Recommended Practice for Installation and Maintenance of Lead-Acid Batteries for Photovoltaic (PV) publicado pelo IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) de modo a garantir o correcto funcionamento deste sistema que é vital ao funcionamento do projecto em estudo SELECÇÃO DAS BATERIAS A UTILIZAR A escolha da marca e do modelo das baterias a utilizar, foi feita tendo em conta a capacidade, o preço e em especial o tempo de vida útil ciclos de carga/descarga - de cada bateria. Constatou-se que o fabricante que disponibiliza uma maior variedade de baterias na Europa é a EXIDE Technologies. Esta marca é composta por várias brands que se encontram vocacionadas para aplicações distintas, contudo, as brands que apresentam características mais adequadas ao estudo em questão são a ABSOLYTE XL Batteries e a CLASSIC - Series OpzS Solar. As baterias pertencentes à ABSOLYTE XL Batteries são baterias estacionárias VRLA em meio sólido (AGM) e devido a este factor apresentam um custo mais elevado, a sua utilização só se justifica em aplicações de criticidade elevada ou em meios com condições ambientais extremas (Temperaturas elevadas). Esta bateria é também indicada para zonas com actividade sísmica uma vez que o electrólito não se encontra no estado líquido, sendo portanto mais segura. Quanto à capacidade, observou-se que dependendo do modelo e da brand, esta é indicada para diferentes tempos de descarga ( 8, 20, 100, 120) e para diferentes valores finais de tensão por célula, (diferentes profundidades de descarga), pelo que foram consultados os catálogos do fabricante para que fosse possível normalizar estes valores antes de serem 58

74 comparados. Finalmente, constatou-se que a brand que anuncia um maior número de ciclos de carga/descarga até ao final de vida útil da bateria é a CLASSIC - Series OpzS Solar (Anexo D) tendo sido este factor, a par do seu custo inferior, que levou à selecção destas baterias para a utilização neste projecto. No Quadro 5.3. apresentam-se as principais características desta gama de baterias. QUADRO 5.3 PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DAS BATERIAS CLASSIC - SERIES OPZS SOLAR Características Marca CLASSIC Series OpzS Solar Tempo de Vida 2000 Dimensões Máximas De 275x208x385 a 215x580x815 Volume Máximo por Célula De a Peso Máximo por Célula De 35 a 217 Capacidade De 70 a 4600 A selecção da capacidade nominal das baterias a utilizar só poderá ser efectuada depois de conhecidas as características do inversor/carregador a utilizar, visto que estes apresentam uma tensão mínima de entrada que irá condicionar o número de baterias a instalar em série para perfazer essa tensão mínima DIMENSIONAMENTO DA CAPACIDADE TOTAL DE ARMAZENAMENTO DAS BATERIAS O cálculo da energia a armazenar pelas baterias é geralmente efectuado com base em informações pouco detalhadas acerca da produção e do consumo do sistema a abastecer. Perante esta situação, são aplicados factores de segurança elevados que levam a um sobredimensionamento da sua capacidade destes sistemas. Nestes casos, o cálculo da capacidade do sistema de armazenamento é efectuado considerando a energia necessária para satisfazer o consumo médio diário máximo durante três dias. É também comum considerar perdas de conversão e de armazenamento de 40% [22]. No projecto em questão foi efectuado um estudo detalhado da produção e do consumo ao longo do ano. O sistema em projecto apresenta também como vantagem adicional o facto de se recorrer a duas fontes de geração de energia cujas disponibilidades, apesar de serem variáveis aleatórias, são independentes o que reduz a probabilidade de inexistência de produção de energia tornando assim menos exigentes as especificações do sistema de armazenamento. Sendo assim, o dimensionamento será feito tendo em conta os valores determinados para as situações identificadas como menos favoráveis. 59

75 Os valores apresentados no Quadro 4.5 referem-se à energia que é necessário disponibilizar aos consumidores em determinados intervalos de tempo, porém, nem toda a energia contida pelo sistema de armazenamento pode ser disponibilizada aos consumidores, há três factores que limitam ou diminuem a energia útil que é possível obter a partir das baterias: Profundidade de descarga considerada - O tempo de vida anunciado para as baterias seleccionadas corresponde a uma profundidade de descarga de 80% da capacidade nominal, pelo que se terá que considerar um aumento de 20% na capacidade nominal do sistema de armazenamento correspondente à capacidade não utilizada. Corrente de Auto-Descarga Importante no caso de baterias em repouso durante longos intervalos de tempo, tem um impacto pouco significativo no caso de baterias em utilização, pelo que se ignorou este tipo de perdas. Rendimento do Chopper ou inversor utilizado na conversão de energia Os equipamentos actuais apresentam rendimentos sempre acima de 90%, aumentando com o aumento da carga. Considera-se um aumento da capacidade nominal de 10% correspondente às perdas ocorridas nestes dispositivos electrónicos de potência. Tendo em conta estes factores, a energia a armazenar deverá ser corrigida da forma apresentada na Equação 5.2 de modo a determinar a capacidade total do sistema de armazenamento EQUAÇÃO 5.2 No Quadro 5.4 encontram-se resumidas as especificações que o sistema de armazenamento terá que cumprir para poder vir a responder ininterruptamente às solicitações do consumo durante os meses mais exigentes (e por conseguinte durante todo o ano). QUADRO 5.4 DEFICIT DE ENERGIA NOS CASOS MENOS FAVORÁVEIS E ENERGIA TOTAL A ARMAZENAR Deficit de Energia Energia a Armazenar Em Em Em Em Em

76 6. SELECÇÃO DA ARQUITECTURA E DOS EQUIPAMENTOS DE ELECTRÓNICA DE POTÊNCIA A UTILIZAR Os sistemas de energia em Off-Grid baseados em fontes renováveis são pouco frequentes, devido, fundamentalmente, a factores económicos. Constata-se que nos países desenvolvidos a cobertura das redes de energia convencionais abrange aproximadamente todo o território. Nos países subdesenvolvidos, o custo de aquisição dos equipamentos é, usualmente demasiado elevado o que torna inviável a instalação deste tipo de soluções. Devido a esta situação de fraca procura, detectou-se que os fabricantes disponibilizam poucas soluções que se adeqúem a este tipo de projectos, em especial para sistemas que exijam potências superiores a cerca de 10. Os dispositivos existentes destinam-se à criação de sistemas com dois tipos de arquitecturas distintas [23]. Estas diferem essencialmente no tipo de interligação entre os vários componentes constituintes dos sistemas energéticos em Off-Grid. A arquitectura mais antiga e, portanto, a que apresenta tecnologia com um estado de maturação mais avançado é conhecida por DC-Coupled em que os sistemas são interligados através de um bus comum em corrente contínua. Recentemente, alguns fabricantes têm vindo a desenvolver uma nova arquitectura conhecida por AC-Coupled, em que os vários componentes se encontram conectados a um bus AC ARQUITECTURA AC COUPLED A arquitectura AC-Coupled baseia-se num equipamento (inversor/carregador ligado a bancos de baterias) que impõe os valores de frequência e de tensão apropriados, criando assim uma rede (bus) AC. A esta rede podem ser acoplados sistemas de produção ou cargas como se observa na Figura 6.1. FIGURA 6.1 SISTEMA HIBRIDO OFF-GRID COM ARQUITECTURA AC-COUPLED As principais vantagens apresentadas por esta arquitectura são a simplicidade e a escalabilidade. Para expandir as redes deste género basta ligar no lado AC da rede novas unidades geradoras e respectivo inversor sem necessidade de modificar outros equipamentos. 61

77 Além disso, só o equipamento (usualmente um Inversor/Carregador com um sistema de controlo e monitorização de potência) que impõe e controla as características da rede é específico desta arquitectura, todos os outros são equipamentos (Inversores que conectam os sistemas fotovoltaicos e eólicos à rede) também utilizados em sistemas On-Grid, que por utilizarem tecnologias mais vulgares e se encontrarem num estado mais avançado de maturação apresentam um custo inferior. Apesar das vantagens apresentadas, este tipo de soluções evidenciam ainda algumas lacunas, fruto da imaturidade (estado de desenvolvimento) desta arquitectura. Constatou-se que o desempenho de sistemas baseados neste tipo de arquitectura está ainda pouco estudado. Não se conhecem análises que relacionem a qualidade da energia fornecida através destes sistemas e a potência dos grupos geradores ou das cargas instaladas, ou seja, o impacte nos valores de frequência e tensão da ligação ou saída de serviço de grupos geradores (ex: eólicos) de potência relativamente elevada em relação à dimensão da rede criada ou de uma variação elevada da potência solicitada (ex: entrada em funcionamento de motores com potências elevadas). Esta situação é menos evidente em redes relativamente uniformes, que não apresentem elementos que desequilibrem o sistema energético, como as redes domésticas comuns, contrariamente a redes que alimentam unidades industriais de elevada potência. Um dos fabricantes que disponibiliza uma gama de equipamentos que permitem criar um sistema AC-Coupled é a SMA (Figura 6.2). O elemento central deste sistema é um Inversor/Carregador (Sunny Island) que se encontra conectado a um banco de baterias. Este controla o nível de tensão e de frequência do bus AC a que está ligado - injectando potência proveniente das baterias na rede quando o consumo é superior à produção ou carregando as baterias quando existe excesso de energia produzida na rede. Encontra-se também contemplado o caso em que a produção excede o consumo e as baterias se encontram carregadas. Neste caso, há a possibilidade de dissipar a energia excedente através de um banco de resistências (o calor produzido pode ser utilizado no aquecimento de água para uso doméstico ou para climatização de edifícios). Os equipamentos Sunny Island disponibilizados pela SMA abrangem uma gama de potências entre os 2 e os 5, havendo ainda a possibilidade de associar até quatro equipamentos em paralelo e também a possibilidade de os interligar de modo a formar uma rede trifásica, caso em que a potência nominal fornecida pelo sistema será de 60 ( ) Este fabricante disponibiliza também dois outros equipamentos para conectar à rede AC (criada pelo Sunny Island) grupos geradores fotovoltaicos (Sunny Boy) ou eólicos (Wind Boy) que disponibilizam potências máximas de respectivamente 5 e 6. A SMA refere que, de uma forma geral, podem ser conectados às redes criadas pelo Sunny Island qualquer tipo de inversor utilizado na ligação de grupos geradores às redes convencionais. 62

78 FIGURA 6.2 SISTEMA HÍBRIDO AC-COUPLED DA SMA [25] Esta foi uma solução ponderada para a realização do sistema em estudo contudo, dada a baixa gama de potências disponibilizadas pelos dispositivos deste fabricante, a complexidade e o custo do sistema seriam elevados, dado que teriam que se associar vários inversores em paralelo para satisfazer as exigências da população em questão. Por estas razões esta solução foi abandonada. Também a SIEMENS disponibiliza um conjunto de equipamentos que não estando directamente vocacionados para a criação deste tipo de sistemas permitem, através de pequenas modificações no sistema de controlo dos dispositivos electrónicos de potência, adaptar estes equipamentos a um sistema AC-Coupled (Figura 6.3). O elemento central deste sistema seria, neste caso, uma unidade de UPS da gama MasterGuard que seria responsável pela gestão do trânsito de potência entre a rede AC e o banco de baterias, de forma a manter constante os valores de tensão e frequência da rede AC. Para interligação do sistema de produção fotovoltaica à rede AC, a SIEMENS disponibiliza a gama SINVERT que é composta por inversores com MPPT incorporado para gamas de potências superiores a 30. O sistema de produção eólica seria interligado através do inversor disponibilizado pela EOLTEC em conjunto com a turbina seleccionada. 63

79 FIGURA SISTEMA HIBRIDO AC-COUPLED DA SIEMENS Apesar de este não ser um sistema dedicado a este tipo de projectos, os princípios que lhe estão inerentes já foram testados num projecto-piloto implementado na Nigéria pela SIEMENS. Contudo, nesse caso, o sistema recorria apenas a uma fonte renovável (Fotovoltaica) em conjunto com dois grupos geradores Diesel. Esse sistema era então menos afectado por variações abruptas na energia produzida - no projecto em estudo as variações devem-se essencialmente à inclusão de um gerador eólico - e portanto não temos dados suficientes para garantir a qualidade da energia produzida, razão pela qual se preteriu este sistema em relação a outros que serão apresentados de seguida ARQUITECTURA DC COUPLED Nesta arquitectura a conexão entre os vários elementos constituintes do sistema híbrido é feito através de um bus DC (Figura 6.4) havendo um inversor responsável pela conversão de toda a energia gerada de DC para AC. Eventualmente todos os equipamentos de conversão - choppers, rectificadores e inversores - podem estar agrupados num único equipamento que pode também fazer a gestão da entrada em funcionamento de grupos geradores Diesel (caso existam). FIGURA 6.4 SISTEMA HIBRIDO OFF-GRID COM ARQUITECTURA DC-COUPLED 64

80 A vantagem dos sistemas baseados nesta arquitectura é que a qualidade de energia fornecida aos consumidores depende apenas do inversor que faz a conversão DC-AC. Este inversor tem alguma tolerância às variações de potência na sua entrada (devidas a variações da energia produzida instantaneamente pelas fontes de energia alternativas), variações que tendem a ser compensadas pelas baterias que fornecem ou absorvem energia da rede DC. Sendo assim a qualidade de energia dos sistemas com arquitectura DC-Coupled é usualmente boa. Dado que este sistema utiliza tecnologia relativamente comum, o preço desta solução é substancialmente mais baixo do que o da arquitectura apresentada no ponto anterior. A maior desvantagem que os sistemas deste género apresentam relaciona-se com as limitações no aumento da potência do sistema. O aumento da capacidade de produção encontrase limitado ao inversor que faz a conversão DC-AC, ou seja, a potência produzida pelo sistema não pode ser superior à potência nominal que o inversor pode fornecer à carga. Verifica-se também que o rendimento total destes sistemas costuma ser inferior ao dos sistemas AC-Coupled, visto que em geral, para todas as fontes de energia é necessário fazer duas conversões: AC-DC ou DC-DC para fazer a interligação dos sistemas de produção e armazenamento; e posteriormente para ser utilizada pelos consumidores é efectuada uma segunda conversão de DC para AC. O grupo IngeTeam disponibiliza uma solução que se baseia na arquitectura descrita. Trata-se do equipamento Ingecon Hybrid (Anexo E) que reúne todos os conversores necessários à instalação de uma rede Off-Grid de energia proveniente de diversas fontes renováveis e respectivo sistema de armazenamento (Figura 6.5). FIGURA SISTEMA HIBRIDO DC-COUPLED INGECON [26] A unidade que este fabricante disponibiliza para entrega imediata tem as seguintes características técnicas: 65

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