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Auto-Suficiência Energética - Casa Independente a nível energético 1/19
Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Auto-Suficiência Energética
Casa independente a nível energético
Projeto FEUP2014-- 2015: Armando Sousa & Manuel Firmino J. N. Fidalgo
Equipa 01: Supervisor: Adriano da Silva Carvalho Monitor: André Couto
Autores:
Ana Cancela [email protected] Diogo Pinto [email protected]
Henrique Teixeira [email protected] José Fonseca [email protected]
Pedro Martins [email protected] Tiago Pinto [email protected]
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Resumo
Este trabalho foi proposto através da unidade curricular Projeto FEUP, que tem
como objectivo desenvolver as capacidades de trabalho em equipa, essenciais para
o dia-a-dia de um engenheiro.
O relatório realizado incide sobre a problemática de uma casa situada no
Porto, independente a nível energético. Após uma introdução relativamente aos
gastos energéticos de uma casa tipo que nos foi indicada, desenvolve-se um estudo
acerca das várias opções energéticas alternativas.
Por último, é feita uma conclusão posterior à análise de tudo o que foi
explorado no trabalho.
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Agradecimentos
Gostaríamos de expressar o nosso agradecimento especial ao nosso
supervisor, o profesor Adriano da Silva Carvalho, por toda a motivação e
orientação que ele nos deu, incitando-nos constantemente para fazermos o nosso
melhor. Queremos também agradecer ao monitor André Couto, por toda a
informação fornecida e ajuda prestada, tornando a nossa tarefa muito mais fácil e
agradável.
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Índice
Lista de figuras 5
Lista de gráficos 6
1. Introdução 7
2. Gastos energéticos 8
3. Energia
3.1 Energia Fotovoltaica 9
3.1.1 Vantagens 10
3.1.2 Desvantagens 11
3.1.3 Cálculos 12
3.2 Energia Eólica 13
3.2.1 Vantagens 13
3.2.2 Desvantagens 14
3.2.3 O Contexto 15-16
4. Conclusões 17
Referências bibliográficas 18-19
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Lista de Figuras
Figura 1 – Célula Fotovoltaica 9
Figura 2 – Distribuição global da irradiação solar 10
Figura 3 – Velocidade média do vento em Portugal 14
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Lista de Tabelas
Gastos energéticos 8
Comparação de micro-turbinas 15
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Introdução
Devido à revolução tecnológica que se tem vindo a verificar e o consequente
aumento do uso de aparelhos que requerem energia elétrica, é, cada vez mais,
uma necessidade procurar alternativas económicas que permitam cobrir os gastos
energéticos em causa. Foi proposto o desafio que consiste em analisar os preços do
mercado atual, criar o modelo de uma casa com um sistema que satisfaça as suas
necessidades energéticas, utilizando os elementos disponíveis, na cidade do Porto.
Assim sendo, pretende-se apresentar uma solução que seja economicamente
rentável em relação aos serviços disponíveis no mercado.
Atualmente, é habitual uma casa não ser totalmente independente a nível
energético. É utilizada a energia proveniente de empresas distribuidoras de
energia. No entanto, apesar de haver várias alternativas o mais vantajoso para uso
doméstico é o aproveitamento da energia eólica e solar.
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Gastos Energéticos
Nome do aparelho Potência do aparelho
(kW)
kWh gastos por dia (em
média)
Frigorífico 140 0,140*24= 3,36
Forno 3,6 3,6*(1/2)= 1,8
Placas 3,6 3,6*1=3,6
Lâmpadas (casa com 17
lâmpadas)
0,020 0,020*17*6=2
Computador (torre) 0,047 0,047*6=0,028
Exaustor 0,150 0,150*1=0,150
Secador de cabelo 1 1*1/2=0,5
Torradeira 0,8 0,8*1/12=0,067
Microondas 0,75 0,75*1/3=0,25
Máquina de lavar a louça 1,5 1,5*1=1,5
Máquina de lavar a roupa 1,5 1,5*1/3=0,5 (divide-se por
3 dias a ação)
Iluminação exterior 0,1 0,1*6=0,6
Televisão 0,036 0,036*6=0,216
Cilindro 1,5 1,5*3/4=1,125
Máquina de café 0,1 0,1*5/60=8,3^-3
Total de gastos energéticos diários 16 (aproximandamente)
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Energia
Energia Fotovoltaica:
Entre as tecnologias existentes para gerar energia, os painéis solares além
de serem economicamente mais acessíveis, podem ser, em princípio, aplicados em
qualquer lugar, desde que recebam alguma luz solar durante o dia.
O rendimento dos painéis fotovoltaicos é influenciado pela exposição solar e
pelo ângulo de incidência dos raios solares.
Os painéis fotovoltaicos produzem energia através da transformação direta
da luz em energia elétrica, recorrendo-se a células solares. Neste processo, são
utilizados materiais semicondutores como silício, arseniato de gálio, telurieto de
cádmio ou disselenieto de cobre e indio. A célula de silício cristalina é a mais
comum. Atualmente, cerca de 95 % de todas as células solares existentes são de
silício. O silício é o segundo elemento químico mais frequentemente utilizado na
Terra e apresenta uma disponibilidade quase ilimitada. O silício não existe como
um elemento químico. Existe apenas associado à areia de sílica.
O material utilizado nas células solares (figura 1) deve ser da maior pureza
possível. Isto pode ser conseguido através de sucessivas etapas na produção
química. Até aos dias de hoje, os fabricantes de células solares têm obtido, na sua
maior parte, o material purificado do desperdício da industria electrónica de
semicondutores.
Figure 1 – Célula Fotovoltaica
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Vantagens:
● A energia solar não polui durante o seu uso;
● As centrais necessitam de manutenção mínima;
● Os painéis solares são a cada dia mais potentes ao mesmo tempo que o
custo dos mesmos vem decaindo. Isto torna, cada vez mais, a energia solar
uma solução economicamente viável e rentável;
● A energia solar é excelente em lugares remotos ou de difícil acesso (figura
2), pois a sua instalação em pequena escala não obriga a que se realize um
investimento elevado em linhas de transmissão.
Figure 2 - Distribuição Global da irradiação solar (W.h/m2)
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Desvantagens:
● Existem variações nas quantidades de energia produzidas de acordo com a
situação climatérica (chuvas, neve), além de que, durante a noite, não
existe produção alguma, o que obriga a que existam meios de
armazenamento da energia produzida durante o dia em locais onde os
painéis solares não estejam ligados à rede de transmissão de energia (a que
circula no sistema). Há que fazer um investimento adicional em baterias que
detenham a capacidade necessária para se armazenar a energia produzida;
● Locais em latitudes médias e altas (Ex: Finlândia, Islândia, Nova Zelândia e
Sul da Argentina e Chile) sofrem quedas bruscas de produção durante os
meses de Inverno devido à menor disponibilidade diária de irradiação solar.
Locais com frequente nebulosidade (Curitiba, Londres), tendem a ter
variações diárias de produção;
● As formas de armazenamento da energia solar são pouco eficientes quando
comparadas por exemplo aos combustíveis fósseis (carvão, petróleo e gás), a
energia hidroeléctrica (água) e a biomassa;
● Em média, os painéis solares apenas conseguem absorver 14% da energia
que lhes é fornecida, pois os outros 86% representam a energia que é
refletida e desperdiçada devido à imperfeição dos cristais que constituem as
células fotovoltaicas.
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Cálculos:
Considerando-se um painel 1,64x0,99 (aproximadamente 1,62m2) com uma
potência de 250Wp:
- Horas de exposição solar:
horas de inverno=10,5h
horas de verão=15h
média horas diárias=(15+10,5)/2
-Potência produzida por painel/dia (considera-se ⅔ do dia com potência maximal):
Potência produzida p/ painel= 0,250*12,75*(2/3) =2,13 kW.h
-Número de painéis fotovoltaicos necessários:
10/2,13=4,69 (aproximadamente 5 painéis fotovoltaicos)
Em média o preço em euros (incluindo custos de manutenção, equipamento
e instalação) por kW de potência do painel é: 1200€/m2. Logo, como vamos
necessitar de 5 painéis solares e cada um deles tem uma potência de 250W, o
investimento andará à volta dos 1.500€.
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Energia Eólica:
A utilização da energia eólica advém da antiguidade, sendo esta já usada
para irrigação e alimentação de máquinas. Atualmente o seu uso principal é o da
produção de eletricidade e neste contexto possui varias vantagens dentro das
energias renováveis que a tornam muito merecedora de atenção no âmbito deste
projeto. Antes de mais, é importante descrever como é como funciona a energia
eólica:
O princípio de funcionamento baseia-se na conversão da energia cinética,
(que é resultante do movimento de rotação causado pela incidência do vento nas
pás do rotor da turbina) em energia elétrica. As pás das máquinas modernas são
dispositivos aerodinâmicos com perfis especialmente desenvolvidos, equivalentes
às asas dos aviões ( Pedro Henrique Jochims Rossi (Engenharia de Controle e
Automação – PUCRS) e Cássia Pederiva de Oliveira (Engenharia Mecânica – PUCRS)
sob supervisão de: Prof. Jorge VillarAllé).
Vantagens:
A produção de energia eólica tem várias vantagens comparativamente a
outros métodos de produção de energia de forma autónoma. Em primeiro lugar as
turbinas eólicas horizontais constituem uma tecnologia muito madura dentro das
renováveis e com diversas soluções comerciais que permitem uma escolha
ponderada e adaptável às especificidades de cada situação. Além disso, a energia
eólica pode trabalhar a qualquer altura do dia independentemente do sol,
providenciando energia ininterruptamente sem o auxílio de baterias, desde que
haja vento. Isto faz dela um excelente complemento à produção por painéis
solares.
A localização da casa em estudo torna-a também mais vantajosa pela abundância
relativa de vento na região circundante ao Porto (figura 3).
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Figure 3 - Velocidade média do vento em Portugal Continental de 10-80 metros de altitude
Desvantagens:
Existem desvantagens para as turbinas eólicas. Primeiramente as turbinas
horizontais requerem um fluido laminar e sem turbulências que reduzem a
eficiência destas. Este é um problema que as turbinas verticais resolvem. Por outro
lado, as turbinas verticais apesar de tudo são excessivamente caras e no seu
estado atual não oferecem retorno económico, como será demonstrado. Por
último, mas não menos importante, é de ressalvar o facto de que as turbinas
eólicas necessitam de uma velocidade mínima de vento, que varia de turbina para
turbina, mas situa-se nos 2 a 3 m por segundo, pelo que a produção energética
num dia de pouco vento poderá ser nula.
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O contexto do projeto:
A cidade do Porto, zona litoral atlântica, é propícia a ventos capazes de
produção elétrica. Para mais e tomando os dados do atlas português dos ventos,
podemos obter uma noção detalhada do número de horas nominais (produção
máxima de energia) correspondentes ao funcionamento de uma turbina eólica no
Porto.
Este valor situa-se na ordem das 2200 horas nominais por ano (ou cerca de
6 horas por dia), o que representa uma eficiência de 25% comparativamente a uma
situação ideal.
Mesmo assim, tendo em conta os custos (80% turbina, 20% instalação),
podemos analisar a viabilidade das turbinas tendo como referencia os valores de
mercado e as características de uma serie de turbinas eólicas.
Para a tabela abaixo indicada, foram consideradas viáveis as turbinas cujo
investimento inicial era retornado em menos de 7 anos pela poupança que estas
representavam na conta elétrica.
O consumo é o acima calculado (16kWh por dia).
Tipo de turbina
Potência pico (W)
Energia por hora
em condições
ideais (kWh)
Energia dia medio
Porto (kWh)
Percentagem do consumo
Custo base (€)
Custo final[1]
(€)
Valor comercial energia
(€)
Tempo de retorno (anos)
Horizontal 180 0,18 1,08 6,78 756 945 59,4 15,91 400 0,40 2,41 15,07 665 831,25 132 6,30 450 0,45 2,71 16,95 745 931,25 148,5 6,27 600 0,60 3,62 22,60 2662 3327,5 198 16,81 750 0,75 4,52 28,25 1151 1438,75 247,5 5,81 1000 1,00 6,03 37,67 1038 1297,5 330 3,93 1500 1,50 9,04 56,51 3173 3966,25 495 8,01 3000 3,00 18,08 113,01 6777 8471,25 990 8,56 6000 6,00 36,16 226,03 7980 9975 1980 5,04 Vertical 55 0,06 0,33 2,07 981 1226,25 18,15 67,56 300 0,30 1,81 11,30 3769 4711,25 99 47,59 2000 2,00 12,05 75,34 8246 10307,5 660 15,62 4500 4,50 27,12 169,52 13743 17178,7
5 1485 11,57
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[1]Custo final= Custo turbina*80% + Instalação e manutenção*20%
A análise dos resultados obtidos permitiu-nos chegar a várias conclusões
para a questão. Em primeiro lugar, provou-se que as turbinas eólicas verticais não
são minimamente viáveis para a produção energética, pois a sua diminuta
produção elétrica está conjugada a custos proibitivos.
Além disso, a colocação de turbinas eólicas horizontais é viável numa boa
parte das situações pois existe um retorno económico para estas nos modelos mais
competitivos.
Desta forma, a simples colocação de 6 turbinas idênticas à turbina de 1000W
permitiria suprir 6 KW dos 16 KW necessários por um custo de aproximadamente
7800€.
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Conclusões:
Convergindo todos os dados recolhidos, conclui-se que a solução que foi
explorada é viável, no entanto, todos os projetos, apresentam alguns pontos mais
fracos. Como já foi referido anteriormente, para os painéis e as microturbinas
funcionarem em pleno são necessárias condições específicas (vento e irradiação
solar). Um dia sem vento ou então um dia sem sol poderiam comprometer o bom
desempenho do sistema planeado.
Quando existir uma alternativa viável que permita ao sistema armazenar
energia que não é aproveitada ou produzida em excesso, será possível fazer um
upgrade ao sistema. Consequentemente este tornar-se-á mais eficaz nas falhas
apontadas anteriormente e, será possível cobrir os gastos energéticos durante
estes períodos referidos.
Por fim, pode-se afirmar que as energias renováveis são, de facto, o futuro
e prevê-se que, dentro de poucas décadas, todas as casas serão auto-suficientes
energeticamente.
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Auto-Suficiência Energética - Casa Independente a nível energético 19/19
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