COMPARAÇÃO ENTRE APLICAÇÃO DE TECNOLOGIA SOLAR FOTOVOLTAICA COM E SEM ARREFECIMENTO UTILIZANDO O SOFTWARE HOMER

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1 COMPARAÇÃO ENTRE APLICAÇÃO DE TECNOLOGIA SOLAR FOTOVOLTAICA COM E SEM ARREFECIMENTO UTILIZANDO O SOFTWARE HOMER VIEIRA, Emanuel A. 1 ; FEKSA, Lucas R. 2 ; OLIVEIRA, Luis E. M. 3 ; KRÜGER Cristiane 4 ; Resumo: A energia elétrica a partir de fontes alternativas é uma eficiente saída para atender à crescente demanda pela energia elétrica, além de ser sustentável e poder aumentar a diversidade das matrizes energéticas do Brasil. O presente trabalho faz uma análise de viabilidade da instalação de um sistema fotovoltaico desconectado à rede para suprir à demanda de energia elétrica de uma comunidade com demanda máxima de 100kWp. Serão abordadas duas hipóteses: painéis sem arrefecimento, e painéis arrefecidos, a fim de verificar a potência gerada pelo sistema. A pesquisa é um estudo de caso. As análises foram feitas com a ajuda do software Hybrid Optimization Model for Electric Renewables (HOMER) que foi desenvolvido pelo National Renewable Energy Laboratory (NREL). Neste caso o modelo analisado apresentou resultados dentro do esperado, no que se refere a geração de energia e valores. Abstract: The electrical energy from alternative sources is an efficient output to meet growing demand for electricity, as well as being sustainable and can increase the diversity of the energy mix in Brazil. This work is an installation of the feasibility analysis of a photovoltaic system network offline to meet the electricity demand of a community with maximum demand 100kWp. two cases will be discussed: without cooling panels, panels and cooled, to check the power generated by the system. The research is a case study. Analyses were made with the help of software Hybrid Optimization Model for Electric Renewables (HOMER) that was developed by the National Renewable Energy Laboratory (NREL). In this case the analysis model presented within the expected results, as regards the generation of energy and values. Palavras- Chave: Energia fotovoltaica. HOMER. Arrefecimento de painéis fotovoltaicos. Keywords: Photovoltaics. HOMER. Cooling photovoltaic panels. INTRODUÇÃO Com a procura por novas alternativas energéticas para suprir a demanda da vida moderna, incentivou-se estudos e pesquisas em fontes alternativas de geração de energia no 1 Mestrando em Engenharia Elétrica, UFSM. emanuel.antunesvieira@gmail. 2 Doutorando em Engenharia Elétrica, UFSM. lucasfeksaramos@gmail.com. 3 Mestrando em Engenharia Elétrica, UFSM. luismanga25@gmail.com. 4 Mestranda em Administração, UFSM. cris.kruger@hotmail.com. 478

2 laboratório do Centro de Excelência em Energia e Sistemas de Potência (CEESP), na Universidade Federal de Santa Maria (UFSM). Este estudo objetiva analisar como um sistema de arrefecimento para painéis fotovoltaicos impactaria na geração de energia de um sistema fotovoltaico de 100kWp. Nesse sentido, serão analisadas as características para simulações no software Homer, no que se refere a implementação de painéis fotovoltaicos. Pretende-se, através das simulações, estimar o custo atual de geração, sua crescente participação na matriz energética e verificar a influência de fatores variantes na formação destes custos. Verifica-se também o efeito do arrefecimento na geração final do sistema fotovoltaico e o impacto do aumento de geração de energia devido a esse arrefecimento. O SOFTWARE HOMER Para a realização desta pesquisa definiu-se o software é o Homer (Hybrid Optimization Model for Electric Renewables), versão 3.1.2, gratuito e disponibilizado pelo NREL (National Renewable Energy Laboratory). O software Homer foi desenvolvido para auxiliar na concepção e otimização de sistemas de produção distribuída, bem como para possibilitar a comparação entre diferentes tecnologias de produção de energia, permitindo modelar e simular o seu comportamento físico e econômico. O respectivo software pode simular sistemas isolados ou conectados na rede, no qual pode servir cargas especificas, baterias, e entrando diversas fontes alternativas, além disso executa três processos para formulação dos seus resultados; são eles: simulação, otimização e análise de sensibilidade. Na simulação, o programa modela, hora a hora, o desempenho de uma única configuração para determinar viabilidade técnica e o custo total do projeto, o qual inclui o custo de instalação e de funcionamento (O&M) do sistema durante sua vida útil. Na otimização o programa simula todas as configurações de geração, distribuída em busca da solução que possua o menor custo e que satisfaça as limitações técnicas do projeto. Na análise de sensibilidade, por sua vez, o programa realiza diversas otimizações, em função de uma gama de dados para uma mesma entrada e, assim, avalia os efeitos das incertezas do projeto. escolhido, geralmente, para modelos de pesquisa similares ao realizado no presente estudo, por apresentar algumas vantagens, como: Simula ao longo de cada hora e ao longo do ano, o que permite a qualquer momento, fase do projeto, adicionar ou remover componentes na rede; 479

3 Avalia o contributo de cada componente na rede, o seu custo e a sua interferência na eficiência da mesma; Avalia se, ao longo dos anos, o sistema satisfará o crescimento da demanda; Fornece dados das diferentes combinações e faz a otimização desses resultados, para melhor atender as demandas do projeto; Permite fazer análises de sensibilidade, analisando e comparando as escolhidas, relacionando o custo, a eficiência e o índice de emissões de CO2. SISTEMAS DE CONEXÕES FOTOVOLTAICAS Existem dois tipos de conexões: 1. Sistemas isolados (Off-grid) e os 2. Sistemas Conectados (Grid-tie ou On-grid), os quais são apresentados na Figura 1. Figura 1 Tipos de conexões: isolado e conectado. Fonte: elaborado pelo autor. 1.Sistemas isolados Off-grid energia elétrica por razões técnicas e/ou econômicas. Esse sistema pode atender cargas em corrente continua ou alternada. Além disso, as opções mais comuns de fazer o armazenamento de energia são através de baterias ou na forma de energia potencial gravitacional, que consiste no bombeio de água para tanques em sistemas de abastecimento, na Figura 1 exemplifica-se um sistema isolado com armazenamento, como descrito anteriormente. 2.Sistemas Conectados - Grid-tie ou On-grid 480

4 Diferente do modelo acima que é isolado esse sistema normalmente não necessitam de armazenamento de energia, por que toda a energia excedente é injetada diretamente na rede. O sistema da rede tem que estar preparado com relógio bidirecional para futuras cobranças da concessionária, na Figura 1, cenário 2, apresenta-se o sistema conectado. RADIAÇÃO SOLAR Sabe-se que no Brasil os índices de radiação solar apresentam um ótimo potencial para a utilização de energia fotovoltaica, conforme apresenta-se, no Rio Grande do Sul varia entre 14 e 16MJ/m 2.dia. Ainda de acordo com o Centro de Previsão de Tempo e Estudo incentivo para a geração de energia elétrica através de sistemas fotovoltaicos, visto que os programas governamentais criados são escassos, não conseguindo, então, motivar a criação de um mercado voltada para essa tecnologia. Figura 2 - Radiação Solar no Brasil Fonte: Atlas Solarimétrico do Brasil. CÉLULA FOTOVOLTAICA Um módulo fotovoltaico é composto por diversas células fotovoltaicas que é identificado geralmente por sua potência elétrica de pico (Wp), todavia para um projeto de central fotovoltaica deve ser considerado um conjunto de características compatíveis com a aplicação específica. No Brasil a influência da temperatura afeta significativamente o desempenho da geração fotovoltaica, na Figura 3 demostra-se a temperatura nos módulos fotovoltaicos, 481

5 quanto maior a temperatura do módulo menor será a energia produzida. Figura 3 - Curva característica IxV, sobre o efeito da temperatura Em busca de uma solução para redução do efeito da temperatura, no presente artigo objetiva-se analisar como um sistema de arrefecimento para painéis fotovoltaicos impactaria na geração de energia de um sistema fotovoltaico de 100kWp. METODOLOGIA A metodologia da presente pesquisa é estudo de caso, que para Yin (2015), são descrições ricas e empíricas de casos particulares associados a fenômenos, e normalmente são baseados em uma variedade de fontes de dados. A premissa para o projeto de suprimento de energia elétrica é de uma comunidade que utiliza um consumo máximo de 100 kw, considerada de pequeno porte de carga e com perfil residencial, para integração entre painéis fotovoltaicos e a banco de baterias. O sistema é inicialmente configurado, considerando fatores climáticos com a radiação solar e a temperatura ambiente, os dados são obtidos por download do site da NASA (National Aeronautics and Space Administration). Com as configurações da localização já definidas verifica-se a radiação total anual na cidade de Santa Maria, no estado do Rio Grande do Sul, no Brasil. A Figura 4 apresenta os dados de radiação solar para a cidade do caso. Observa-se que a média anual é de, com uma média anual de insolação de 4.36 horas diária. 482

6 Figura 4 - Radiação Anual em Santa Maria RS Fonte: NASA. Neste estudo a temperatura influencia na geração de energia no perfil de temperatura local, tem-se papel significativo a geração fotovoltaica como já apresentado na Figura 3. Na Figura 5, referencia-se a temperatura média mensal para a cidade de Santa Maria, a média anual é de. Figura 5 - Perfil de temperatura em Santa Maria RS Fonte: NASA. 483

7 Aplicasse nas configurações um perfil de energia, no qual pode-se configurar no Homer. Na Figura 6 apresenta-se uma caixa da seleção do perfil da carga. Após a seleção de perfil aparece, no qual essa é escolhido o tipo de usuário de carga, no caso desta simulação foi escolhido o perfil o residencial, no qual apresenta um pico no consumo entre 17:30 a 20:30h. Figura 6 - Perfil residencial de consumo Na Figura 6 demonstra-se a carga real que será alimentada, mostra detalhes de carga (kw) a cada hora, podendo ser alterada caso necessário pelo usuário, demonstra o gasto em um dia, o pico e outras informações para uma simulação mais precisa. Com a carga já definida seleciona-se o tipo de painel fotovoltaico, para as simulações foi escolhido o modelo comercial da Canadian Solar Max Power CS6X-320. Alimenta-se a simulação com valores reais de preços por 1kW e manutenção e operação por ano. Valores esses de: R$ 1400,00 por 1kW e R$ 70,00 de manutenção e operação anual. A seleção do conversor tem que ser comercial e com características semelhantes aos do real para utilização dos painéis escolhidos, o conversor no qual tem o valor de R$ 1.500,00 por 1kW e R$ 100,00 de manutenção e operação anual. Como o sistema funcionará desconectado da rede, a implementação de um banco de baterias se faz necessário. Essa implementação tem um custo de, aproximadamente, R$ 1.000,00 por 1kW, substituição de R$ 600,00 e operação de R$ 100,00. RESULTADOS E DISCUSSÕES Analisou-se o modelo descrito anteriormente, fora simulado e obteve-se os valores econômicos de implementação do sistema de geração fotovoltaico. Nestes valores desapressam custos com transporte, suportes e cabeamento, e custos da simulação, estão a 484

8 presentados na Figura 7. A simulação implementada no programa computacional Homer é apresentada na Figura 7, dentro dos parâmetros descritos anteriormente. Figura 7 - Sistema simulado Verifica-se que custo de PV tem um valor de R$ ,00, o valor gasto na aquisição dos conversores será de R$ ,00 e o banco de baterias será de R$ ,00, tendo, aproximadamente, um custo total do sistema de R$ ,00. O perfil residencial com demanda de 100kWp, para essa simulação, obteve retorno a partir de 25 anos (Figura 8), o que não é um fator impeditivo se verificado o tempo de vida útil dos painéis fotovoltaicos e o tipo de utilização, no caso, sistema isolado. Figura 8 - Análise de custos Analisando-se o atual contexto nacional e regional, esta simulação pode ser considerada favorável para a instalação dos painéis fotovoltaicos. A geração foi de

9 kwh/ano, gerando um custo de R$ 0,103 R$/kWh. Para esta simulação a temperatura de operação dos módulos fotovoltaicos é de 45 C, com fator de capacidade de 17,60% (Figura 9). Figura 9 - Geração PV com a temperatura de operação de 45 C A simulação a seguir (Figura 10), apresenta a temperatura de operação dos módulos fotovoltaicos que é reduzida por um sistema de arrefecimento geotérmico, mantendo os painéis à 15 C, os demais parâmetros permanecem os mesmos. Para esta simulação a geração foi de ,00 kwh/ano, gerando um custo de R$ 0,095 R$/kWh, valor bruto sem levar em conta o valor de implementação do sistema de arrefecimento, e com fator de capacidade de 18.94%. Figura 10 - Geração PV com a temperatura de operação de 15 C Comparando as simulações (Figura 9 e Figura 10) a geração com arrefecimento obteve um aumento de kwh/ano que corresponde um incremento de 7.63% a mais 486

10 na geração anual. O custo de implementação do sistema de arrefecimento está estimado em 30% a mais que o sistema sem o sistema de refrigeração, totalizando R$ ,00. Neste caso este modelo apresenta resposta dentro do esperado, no que se refere a geração de energia e valores. CONCLUSÃO A partir dos resultados obtidos com o software Homer, a contribuição desse trabalho foi analisar se haveria uma melhora na geração com a diminuição da temperatura, hipótese que foi confirmada. Estas simulações levaram em conta diversos fatores como a radiação solar e temperatura. armazenamento de energia em baterias, se tornou mais eficiente energeticamente com o uso de arrefecimento dos painéis fotovoltaicos, que devido o arrefecimento geotérmico, se mantem a 15 C, constantes durante o ano, gerando um aumento de 7.63%, na energia gerada anualmente. Pode-se concluir que a energia fotovoltaica icamente viável em diversos cenários, apesar do tempo de retorno do investimento ser considerado elevado. Com relação ao tipo de tecnologia estudada, observa-se que inúmeros benefícios seriam gerados para o meio ambiente. Por ser uma fonte renovável de en de gases poluentes, os quais contribuem para a degradação ambiental. Como limitação para o presente estudo considera-se a abordagem simplória quanto a análise econômica, visto que não foi considerado custos logísticos, por exemplo. Para estudos futuros sugere-se uma análise que contemple uma avaliação criteriosa da parte econômica, abrangendo custos logísticos, dentre outros, tendo em vista um resultado tangível ao real. REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS. Banco de Informações de Geração (BIG). Disponível em: < Acesso em: 26 jun , De 17 De Abril De Disponível em: < Acesso em: 1 jul

11 CEESP, Centro de Pesquisas de Energia Elétrica. Grupo de Trabalho de Energia Solar. Manual de engenharia para sistemas fotovoltaicos / Rio de Janeiro, CRESESB, CPTEC/INPE. em: Acesso em 14 jun Disponível. A. Integration of Alternative sources of energy. New Jersey: WILEY-INTERSCIENCE, FARRET, F. A. Aproveitamento de pequenas fontes de energia elétrica. UFSM, KAZMERSKI, L. L. Photovoltaics: a review of cell and module technologies. Renewable and sustainable energy reviews. p Energy by Midwest Research Institute-Battelle VIANA, T. de S. Potencial de geração de energia elétrica com sistemas fotovoltaicos com concentrador no Brasil YIN, R. K. Estudo de Caso: planejamento e métodos. 5ª ed. Bookman: