SIMHIBRIDO - PROGRAMA COMPUTACIONAL DE SIMULAÇÃO DE SISTEMAS HÍBRIDOS PARA ENERGIZAÇÃO RURAL

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1 SIMHIBRIDO - PROGRAMA COMPUTACIONAL DE SIMULAÇÃO DE SISTEMAS HÍBRIDOS PARA ENERGIZAÇÃO RURAL ODIVALDO J. SERAPHIM 1 JAIR A. C. SIQUEIRA 2 FERNANDO DE L. CANEPPELE 3 ARISTÓTELES T. GIACOMINI 4 RESUMO O presente trabalho teve como objetivo a elaboração de um programa computacional para simulação de sistemas híbridos de energia (fotovoltaico-eólico-gerador) para a energização rural. Utilizou-se a linguagem de programação VISUAL BASIC, equações de dimensionamento de painéis fotovoltaicos, aerogeradores e geradores à combustão (diesel e gasolina) e elaborou-se o procedimento para análise econômica dos sistemas dimensionados. O programa desenvolvido permite a seleção e o dimensionamento dos componentes do sistema híbrido. O programa faz uma análise técnica e econômica do sistema híbrido (fotovoltaico-eólico-gerador) em comparação a um sistema convencional (moto-gerador a diesel ou gasolina) para o atendimento de comunidades isoladas. PALAVRAS-CHAVE: simulação, sistemas híbridos de energia, energização rural, energia alternativa, energia solar fotovoltaica, energia eólica. SIMHIBRIDO - HYBRID ENERGY SYSTEMS SIMULATION SOFTWARE FOR RURAL ELECTRIFICATION ABSTRACT The objective of this work was to make software for simulation of hybrid energy systems (photovoltaic-wind-generator) for the rural electrification. The language VISUAL BASIC programming was used, equations of sizing of panels photovoltaics, aerogenerators and generators to the combustion (diesel and gasoline) and the procedure for economic analysis of the systems. The developed software allows the selection and the sizing of the hybrid energy system components. The software makes a technical and economic analysis of the hybrid system (phototovoltaic-wind-generator) in comparison to a conventional system (generator to diesel or gasoline) for the isolated communities attendance. KEYWORDS: simulation, hybrid energy systems, rural electrification, alternative energy, photovoltaic solar energy, wind energy. 1 Prof. Dr. Departamento de Engenharia Rural, Faculdade de Ciências Agronômicas, UNESP, Campus de Botucatu, , Botucatu, SP, seraphim@fca.unesp.br 2 Prof. Assistente, CCET- UNIOESTE, Doutorando em Energia na Agricultura, Faculdade de Ciências Agronômicas, UNESP, Campus de de Botucatu 3 Engenheiro Eletricista, Mestrando em Energia na Agricultura, Faculdade de Ciências Agronômicas, UNESP, Campus de Botucatu 4 Engenheiro Eletricista, Doutor em Energia na Agricultura Faculdade de Ciências Agronômicas, UNESP, Campus de Botucatu.

2 1. INTRODUÇÃO Os sistemas híbridos de energia são sistemas eólicos, fotovoltaicos, diesel ou hídricos combinados em que podem ou não ser usados sistemas de armazenamento de energia. Estes sistemas são usados para pequenas redes isoladas ou para aplicações especiais tais como bombeamento de água, carga de baterias, dessalinização, entre outras (CRESESB, 2002). O objetivo destes sistemas é produzir o máximo de energia possível das fontes renováveis, enquanto mantidas a qualidade da energia e a confiabilidade especificada para cada projeto (CBEE, 2002). Para a implantação com sucesso de um sistema híbrido de energia, dois fatores são essenciais: a confiabilidade da operação e o fornecimento de energia (HANSEN, 1998). O objetivo deste trabalho foi a elaboração de um programa computacional para simulação de sistemas híbridos de energia (fotovoltaico-eólico-gerador) para a energização rural. 2. MATERIAL E MÉTODOS Para o desenvolvimento do programa computacional, utilizou-se a linguagem de programação VISUAL BASIC 5.0, seguindo-se o diagrama de blocos apresentado na Figura 01. Elaborou-se um banco de dados das cargas utilizadas para o cálculo da demanda de energia elétrica da propriedade ou instalação rural. Fez-se um banco de dados para a seleção de inversores, controladores de carga e baterias. Cadastrou-se no banco de dados equipamentos comerciais com valores em dólar. Elaborou-se, também, um banco de dados de módulos fotovoltaicos e aerogeradores de várias marcas com valores em dólar. Além disso, baseando-se nos dados fornecidos pelo atlas solarimétrico nacional (CEPEL/CRESESB, 2002), fez-se um banco de dados da energia irradiada mínima nas principais localidades brasileiras, a qual compõe o dimensionamento da parte fotovoltaica do sistema híbrido. Utilizou-se o programa ACCESS 7.0 para a elaboração dos bancos de dados. Os cálculos do dimensionamento do sistema fotovoltaico seguem a metodologia proposta pelo CRESESB (1999) e os cálculos do dimensionamento do sistema eólico seguem a metodologia proposta pela DWIA (2001). Para a análise econômica do sistema híbrido, em relação ao sistema convencional para a geração de eletricidade, utilizou-se a metodologia proposta por Hull (2002), baseando-se no tempo de retorno do investimento necessário para recuperar o investimento inicial e através da comparação do investimento inicial de cada sistema e dos custos de manutenção de cada sistema, podendo-se determinar se o sistema híbrido é viável ou inviável. Os valores de despesas ocorridos foram referenciados ao início de cada período

3 de análise, ou seja, os valores serão trazidos a valores presentes, através da taxa de atualização denominada de Fator de Valor Atual (FVA). Radiação solar e velocidade do vento Características dos componentes Consumo de energia e Demanda de carga Configuração do sistema Otimização do sistema de operação Estratégia para configuração dos componentes Performance do sistema Custos iniciais Custos de operação Avaliação econômica Custos totais + Vida útil Sistema VIÁVEL Sistema INVIÁVEL Figura 1 Diagrama de Blocos para Programação e Desenvolvimento do SimHíbrido 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO A discussão dos resultados será realizada por meio da apresentação de um exemplo de dimensionamento de sistemas híbridos, sendo que considerou-se no exemplo uma carga instalada de 300W em corrente continua com demanda de 1142Whdia -1, como pode ser observado na Figura 2, a qual corresponde a tela de inserção de dados de consumo da instalação no programa desenvolvido.

4 Figura 2 Entrada dos dados do consumo de energia em CA e CC. Na tela denominada sistema fotovoltaico (Figura 3), deve-se inserir a porcentagem de contribuição do sistema de geração fotovoltaica no sistema híbrido. No exemplo, considerou-se um total de 80% de participação do sistema. O próximo passo consiste em inserir os dados das características meteorologicas da radiação do local na tela correspondente ao sistema fotovoltaico. O programa permite selecionar a radiação mínima de diversas localidades do país em um banco de dados pré-existente. Deve-se ainda entrar com o número de dias de cobertura do céu por semana. Selecionou-se para o exemplo o valor da radiação em 5,5 kwhm -2 e considerou-se que não haveria nenhum dia por semana com céu encoberto. Deve-se, ainda, selecionar o tipo de módulo que será usado para a geração fotovoltaica em um banco de dados pré-existente e/ou inserir diretamente as características da potência nominal, tensão nominal, corrente nominal e corrente de curto-circuito. Para este exemplo, selecionou-se um módulo SR-100, com potência nominal de 100W, tensão nominal de 12Vdc, corrente nominal de 5,6 A e corrente de curto-circuito de 6,3 A.

5 Figura 3 Entrada de dados do sistema fotovoltaico Na Figura 4, apresenta-se a tela do sistema eólico, de forma análoga ao comentado para a tela anterior, deve-se definir a porcentagem de contribuição do sistema eólico. Neste caso, 20%. Uma vez que, se considerou o dimensionamento de um sistema híbrido eólicofotovoltaico sem a participação de um gerador convencional. A partir das características da energia eólica no local, deve-se inserir o valor da velocidade média diária do vento em ms -1 e o número de dias sem vento na intensidade necessária para geração de energia elétrica pelo aerogerador escolhido para compor o sistema híbrido. Para o exemplo em questão, considerou-se a velocidade de 5,5 ms -1 e 1 dia sem vento. Deve-se, também, selecionar no banco de dados um aerogerador para o sistema híbrido. Neste caso, selecionou-se um aerogerador com potência de pico de 400W, tensão de 12Vdc, velocidade do vento necessária para geração na potência de pico de 12,5 ms -1 e diâmetro do rotor de 1,14 m. Na Figura 5, apresenta-se a tela de seleção dos equipamentos complementares ao sistema híbrido e que serão utilizados no dimensionamento. Em um banco de dados préexistente selecionou-se os controladores de carga para o sistema fotovoltaico e eólico, sendo que para o exemplo optou-se por dois controladores de carga de 20 A. Selecionou-se uma bateria com capacidade 150 Ah e 12Vdc. Poderia-se, ainda, selecionar um inversor de tensão, para transformar a tensão de corrente continua para corrente alternada, mas como o sistema

6 considerado no exemplo só possui cargas em corrente continua, neste caso não é necessário. Entretanto, no programa tem-se um banco de dados com inversores de diversas potências e rendimentos que podem ser selecionados, quando o dimensionamento exigir. Figura 4 Entrada de dados do sistema eólico. Figura 5 Entrada de dados dos componentes, (inversor, controlador de carga e bateria).

7 Os resultados do dimensionamento apresentam-se no ítem correspondente do programa, conforme pode ser observado na Figura 6. A tela apresenta uma planilha com as quantidades e custos dos equipamentos necessários para montagem do sistema híbrido dimensionado. Os custos são apresentados em dólar mas inserindo-se a cotação do dia, converte-se os valores apresentados para reais. Para o exemplo em questão, o programa dimensionou 1 aerogerador, 3 módulos fotovoltaicos, 1 bateria, 2 controladores de carga para o sistema eólico e 1 controlador de carga para o sistema fotovoltaico. O valor total do sistema híbrido dimensionado ficou em R$ 8129,40, considerando-se a cotação do dólar em R$ 2,44/dólar. Figura 6 Resultados obtidos do sistema híbrido Para avaliação da viabilidade econômica do sistema híbrido dimensionado, deve-se selecionar no banco de dados um gerador convencional (diesel ou gasolina) que possa prover a mesma capacidade requerida pela carga. No exemplo, selecionou-se um gerador de 1kWh à gasolina. O valor do investimento já está inserido no banco de dados. Deve-se, introduzir uma taxa de juros compostos praticada pelo mercado. Considerou-se no exemplo, a taxa para o financiamento dos equipamentos no valor de 10% a.a. O gerador convencional selecionado possui uma vida útil na faixa de 10 anos de utilização, consome 0,76 lh -1 de combustível, cujo o preço no varejo é de R$ 2,35. Por outro

8 lado a vida útil do sistema híbrido eólico-fotovoltaico está na faixa de 25 anos e não consome combustíveis com valores fixados pelo mercado (energia eólica e solar). O custo de manutenção de ambos os sistemas é calculado pelo programa em função do consumo e preço do combustível utilizado. Introduzindo-se os dados considerados, na tela apresentada na Figura 7, verificou-se que o sistema dimensionado é viável e possui um tempo de retorno do investimento de 2,4 anos. Figura 7 Entrada de dados da análise econômica. 4. CONCLUSÕES O programa desenvolvido possibilita o dimensionamento de sistemas híbridos baseado em sistemas de geração eólica, fotovoltaica e diesel, permitindo a avaliação econômica do sistema híbrido com relação a um sistema de geração de energia elétrica à base de óleo diesel. O programa pode servir como ferramenta de análise na tomada de decisão sobre a melhor configuração de geradores eólico, fotovoltaico e diesel na composição de um sistema hibrido para a eletrificação de propriedades rurais excluídas do sistema convencional de distribuição de energia elétrica.

9 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS CBEE. Centro Brasileiro de Energia Eólica. Panorama da Energia Eólica, Disponível em: < Acesso em: 13 abr CEPEL/CRESESB. Centro de Pesquisas de Energia Elétrica. Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito. Grupo de Pesquisas de Fontes Alternativas e Energia. CD-ROM - Atlas Solarimétrico do Brasil, CRESESB, CEPEL/CRESESB. Centro de Pesquisas de Energia Elétrica. Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito. Grupo de Trabalho de Energia Solar. Manual de engenharia para sistemas fotovoltaicos / Rio de Janeiro, CRESESB, DANISH WIND INDUSTRY ASSOCIATION. Diseño de aerogeneradores: consideraciones básicas de carga. Disponível em: < Acesso em: 16 dez HANSEN, Ulf, Technological options for power generation. The Energy Journal 1998; 19 (2): HULL, John. Options, Futures and Other Derivatives. Quinta edição. Ed. Prentice Hall, New Jersey, 2002.