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Estudo de Viabilidade de Electrificação Residencial

Através de Sistemas Fotovoltaicos em Maciene.

Autor: Celso Azarias Macie

Supervisor: MsC. Tomás M. Nhabetse

Curso: Licenciatura em Ensino de Física & Matemática

Dezembro, 2016

ESTRUTURA DO TRABALHO

CAPITULO I: INTRODUÇÃO

CAPITULO II: REFERENCIAL TEÓRICO

CAPITULO III: METODOLOGIA DA PESQUISA

CAPITULO IV: RESULTADOS DA PESQUISA

CAPITULO V: CONCLUSÃO

CAPITULO VI: REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

CAPÍTULO I: INTRODUÇÃO

1.1. Contextualização

O fornecimento de energia eléctrica é um dos principais pilares para o desenvolvimento social e económico das comunidades.

Não obstante ao aspecto descrito no ponto anterior, em Xai-Xai várias zonas, principalmente rurais, encontram-se dessassistidas pela energia eléctrica de rede nacional.

Torna-se necessária a implementação de fontes alternativas de geração de energia, para que as necessidades energéticas destas comunidades sejam satisfeitas da forma mais flexível possível, estas alternativas que incluem a energia solar fotovoltáica, energia limpa e renovável e cujo seu aproveitamento eléctrico constitui o objecto de estudo deste trabalho.

Contextualização (cont.)

Este trabalho objectiva apurar a viabilidade dos sistemas fotovoltáicos

autónomos domiciliares para a electrificação residencial em Maciene.

Aborda-se um assunto tendente a trazer bases para implementação de

sistemas fotovoltaicos como fonte alternativa de geração de energia

eléctrica para garantir a electrificação residencial.

1.2 Delimitação do tema O trabalho, dedica-se ao estudo das energias renováveis, especificamente ao

aproveitamento eléctrico da energia solar para a electrificação residencial em

Maciene, limitando-se ao estudo da viabilidade de implementação de sistemas

fotovoltáicos autónomos domiciliares para a electrificação residencial neste

local de estudo.

1.3 Problema de pesquisa

O desenvolvimento industrial e social, proporciona um aumento da

utilização de equipamentos eléctricos no dia-a-dia, seja ao nível mundial ou

nacional, embora este aumento da demanda energética nem sempre é

acompanhado por maiores investimentos na geração de energia eléctrica,

principalmente nas zonas rurais.

Em Maciene, a consequência da falta de assistência eléctrica de muitos

bairros, tem sido a extensão individualizada da rede eléctrica pública,

independentemente da distância entre esta e o consumidor e, o uso de

geradores a gasolina, práticas insustentáveis.

Barreiras da extensão da rede eléctrica: afastamento do bairro em relação a

uma rede eléctrica convencional; dispersão de residências; possível falta de

retorno do investimento e possivelmente a baixa qualidade de energia

eléctrica.

Problema de pesquisa (cont.)

Questão de pesquisa: Até que ponto a implementação de sistemas

fotovoltaicos para a electrificação residencial em Maciene, pode ser uma

alternativa energética técnica e economicamente viável?

1.4 Objectivos

1.4.1 Objectivo geral

Estudar a viabilidade (técnica e económica) de implementação de sistemas

fotovoltaicos autónomos domiciliares para a electrificação residencial na

localidade de Maciene.

Objectivos (cont.)

1.4.1.1 Objectivos especificos i. Identificar as fontes actualmente usadas para satisfação das necessidades

energéticas aliadas á iluminação e uso de equipamentos eléctricos nas residências do local de estudo;

ii. Estimar a demanda energética das residências do estudo;

iii. Descrever o comportamento quantitativo da radiação solar do local do estudo ao longo dos diferentes meses do ano;

iv. Simular a electrificação residencial através de sistemas fotovoltáicos autónomos domiciliares no local de estudo;

v. Apurar a viabilidade da implementação dos sistemas fotovoltaicos autónomos domiciliares para a electrificação residencial em Maciene.

1.5 Hipóteses

i. A não disponibilização de energia eléctrica convencional no local de

estudo, pode resultar no uso de candeeiros a petróleo e módulos

solares e geradores a gasolina para satisfação de necessidades

energéticas;

ii. Tendo-se em conta as variáveis que influenciam na demanda

energética, esta pode ser estimada a partir daquelas;

iii. Quando o sistema fotovoltaico é dimensionado adequadamente, a

energia que o sol fornece no local de estudo, pode garantir a

electrificação residencial de forma adequada;

iv. Considerando a demanda energética e a quantidade da radiação solar,

pode-se simular a implementação de um sistema fotovoltáico

domiciliar para electrificação residencial;

Hipóteses (cont.)

v. Devido á possibilidade de serem usados de forma descentralizada e assim

independentes da dispersão das residências, os sistemas fotovoltáicos

autónomos domiciliares podem mostrar-se viáveis para satisfação de

necessidades energéticas.

1.6 Variável (is) i. Dependente: Viabilidade dos sistemas fotovoltáicos autónomos

domiciliares para electrificação residencial em Maciene;

ii. Causais: A energia solar localmente disponível e a demanda

energética.

1.7 Justificativa A electrificação rural através da rede convencional tem como principal

obstáculo o afastamento dos bairros em relação a redes eléctricas já existentes, aliado á dispersão da residências, o que eleva o custo operacional.

O estudo justifica-se por abordar um assunto tendente a trazer fonte alternativa de electrificação residencial na localidade de Maciene, que pode gerar electricidade de forma autónoma, diminuindo a dependência pela rede eléctrica convencional.

Mostra-se relevante por abordar um tema de interesse social e económico, pois o desenvolvimento de uma comunidade nestes âmbitos, está por lado associado a electrificação.

CAPITULO II: REFERENCIAL TEÓRICO

Energia solar fotovoltaica: é a energia obtida através da conversão directa

da luz solar em electricidade (efeito fotovoltáico), sendo a célula

fotovoltáica, a unidade fundamental desse processo de conversão.

Sistema fotovoltaico: é um sistema capaz de gerar energia eléctrica através

da captação e conversão da radiação solar.

Algumas aplicações básicas: Bombeamento de 𝐻2𝑂 ; Electrificação

(residencial ou não; rural ou não); Refrigeração de vacinas.

Tipos de sistemas fotovoltaicos: Isolados (off-grind); conectados á rede

eléctrica convencional (on-grind); híbridos.

Referencial teórico (cont.)

CAPÍTULO IV: METODOLOGIA

Pesquisa quantitativa: actuação realística, apresentando dados, indicadores ou

tendências possíveis de serem observados. Uso de medidas numéricas para testar

hipóteses. Analisou-se a viabilidade de electrificação residencial através de SFVA’s a

partir de dados sobre demanda energética e potencial solar local.

Após a caracterização do local de estudo, trabalhou-se com 𝑛 = 38

Técnicas

Documentação directa

Observação directa

intensiva

Entrevista

(despadronizada)

Observação

(Não participante; sistemática)

Observação directa

extensiva

Formulário

Documentação indirecta

Pesquisa bibliografica e

documental

CAPITULO IV: RESULTADOS

4.1 Fontes de satisfação de necessidades energéticas

Uso de electrodomésticos: Geradores a gasolina; módulos solares.

Iluminação no dia-a-dia: candeeiros (a petróleo ou a pilhas) e velas, como

ilustra a figura abaixo.

19

23

7

0 0 0

5

10

15

20

25

Candeeiro a

pilhas

Candeeiro a

petroleo

Vela Gerador a

gasolina

Modulo solar

Nº

de

resi

dên

cia

s

Fontes de luz

4.2 Estimativa da demanda energética

Demanda energética = 𝐼𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑎ção+ 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑑𝑜𝑚é𝑠𝑡𝑖𝑐𝑜𝑠

A demanda energética média de todas residências de estudo é:

𝐷 =1

𝑛 𝐷𝑖𝑛𝑖=1 (1)

Sendo que: 𝐷𝑖= 𝑃𝑖 ∗ 𝑡𝑖𝑖=1 (1.1)

P – Potência 𝑰𝒍𝒖𝒎𝒊𝒏𝒂ção: 𝑓𝑜𝑖 𝑎𝑑𝑜𝑝𝑡𝑎𝑑𝑎 𝑢𝑚𝑎 𝑙â𝑚𝑝𝑎𝑑𝑎 𝑐𝑜𝑚 𝑢𝑚𝑎 𝑃 𝑐𝑎𝑟𝑎𝑐𝑡𝑒𝑟í𝑠𝑡𝑖𝑐𝑎.

𝑬𝒍𝒆𝒄𝒕𝒓𝒐𝒅𝒐𝒎é𝒔𝒕𝒊𝒄𝒐𝒔: 𝑃 𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑜𝑢 𝑎𝑑𝑜𝑝𝑡𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑑𝑜𝑚𝑒𝑠𝑡𝑖𝑐𝑜𝑠 𝑐𝑜𝑚 𝑃 𝑐𝑎𝑟𝑎𝑐𝑡𝑒𝑟𝑖𝑠𝑡𝑖𝑐𝑎𝑠.

A adopção de certas potências surge para incluir nos cálculos, o energia demandada por cargas

inexistentes mas que, caso haja energia eléctrica no local e a renda permitir, estas podem ser

adquiridas. Assim, quando adquiridas, o seu uso não inviabilizará o SFV instalado.

t – Tempo 𝑰𝒍𝒖𝒎𝒊𝒏𝒂ção: 𝑖𝑔𝑢𝑎𝑙𝑎𝑑𝑜 𝑎𝑜 𝑑𝑒 𝑜𝑢𝑡𝑟𝑜𝑠 𝑏𝑎𝑖𝑟𝑟𝑜𝑠 𝑗á 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑑𝑜𝑠, 𝑜𝑢 𝑎𝑑𝑜𝑝𝑡𝑎𝑑𝑜.

𝑬𝒍𝒆𝒄𝒕𝒓𝒐𝒅𝒐𝒎é𝒔𝒕𝒊𝒄𝒐𝒔: 𝑡𝑈𝑇 = 𝑡𝑈𝐷 + 𝑡𝑈𝑁

Estimativa da demanda energética (cont.) A tabela a seguir traz o resumo das cargas adoptadas e seus tempos de

alimentação.

Cargas Potência máxima

(W)

Espaço Tempo de

alimentação

(h/dia)

Lâmpada

Fluorescente

23.0

Sala e varanda 5.0

Quarto 2.0

Cozinha 3.0

Casa de banho 14

Exterior 6.0

Leitor de DVD 25 4.0 (Nocturnas)

Amplificador, 50 4.0 (Nocturnas)

TV 75 4.0 (Nocturnas)

Descodificador 20 4.0 (Nocturnas)

Chaleira eléctrica 600 1.0

Ferro eléctrico simples 1000 1.0

Refrigerador ____ _______________

Estimativa da demanda energética (cont.)

A demanda energética média foi calculada para dois cenários, como se pode

ver na tabela abaixo.

Tamanho Médio do

Agregado Familiar

Demanda

Energética

Demanda energética média

CENÁRIO

A

5 Residentes

Abaixo

de

5 kwh/dia

2.14 kwh/dia

CENÁRIO

B

7 Residentes

Acima

de

5 kwh/dia

5.22 kwh/dia

Demanda energética total:

140.00 kwh/dia

4.3 Quantidade da Radiação solar

Com base na pesquisa documental (Em MELO – 2003: “Estudo do

comportamento da radiação solar na região sul do save”) obteve-se a

informação sobre a disponibilidade da radiação solar em Xai Xai em diferentes

meses, como ilustra a figura abaixo. Usou-se 𝐸𝑠 = 5.18𝑘𝑤ℎ

𝑚2∗𝑑𝑖𝑎

4.4 Dimensionamento de equipamentos

Módulos solares

𝑸𝒖𝒂𝒏𝒕𝒊𝒅𝒂𝒅𝒆: 𝑁𝑀 =𝐷𝑑𝑖𝑎𝑟𝑖𝑎

𝐸𝑠∗𝐴𝑀∗ɳ

𝑶𝒓𝒊𝒆𝒏𝒕𝒂çã𝒐: 𝑓𝑎𝑐𝑒 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑑𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑜 𝑛𝑜𝑟𝑡𝑒 𝑔𝑒𝑜𝑔𝑟á𝑓𝑖𝑐𝑜.𝑰𝒏𝒄𝒍𝒊𝒏𝒂çã𝒐: ∝= 𝑙𝑎𝑡𝑖𝑡𝑢𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙 + 5° = 25° + 5° = 30°

𝑫𝒊𝒔𝒕â𝒏𝒄𝒊𝒂 𝒆𝒏𝒕𝒓𝒆 𝒑𝒂𝒊𝒏é𝒊𝒔: 𝑑 =𝑙0∗ sin∝

𝑡𝑎𝑔(90𝑜−𝑙𝑎𝑡𝑖𝑡𝑢𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙−23.5𝑜)

𝑻𝒊𝒑𝒐 𝒅𝒆 𝒂𝒔𝒔𝒐𝒄𝒊𝒂çã𝒐: 𝑃𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜

Controlador de carga: O controlador de carga é definido pela tensão e corrente

eléctrica de trabalho dos módulos. A sua capacidade (tensão e corrente eléctricas)

deve superar a corrente total dos módulos a serem conectados.

Baterias 𝑸𝒖𝒂𝒏𝒕𝒊𝒅𝒂𝒅𝒆:𝑁𝐵 =

𝐼𝑑∗𝑁

𝑃𝑑∗𝐶𝑛

𝑻𝒊𝒑𝒐 𝒅𝒆 𝒂𝒔𝒔𝒐𝒄𝒊𝒂çã𝒐: 𝑃𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜

Inversor: A potência do inversor deve ser especificada igual ou superior ao

somatório das potências de todas cargas do usuário, se houver possibilidade de que

estas possam operar simultaneamente.

Dimensionamento de equipamentos (cont.)

As tabelas que se seguem, apresentam os equipamentos dimensionados e seus

custos de aquisição assim como outros custos adicionais para cada cenário.

CENARIO A

Equipamento

Quant.

Custo unitário

(MT)

Custo por

quantidade

(MT)

Distância mínima entre

módulos solares

Módulo solar 3 6.370,00 19.110,00

𝑑 = 0.47 𝑚

Bateria 2 11.000,00 22.000,00

Controlador de carga 1 4.836,00 4.840,00

Inversor 1 2.000,00 2.000,00

Outros

Condutores

5% do total

= 2.400,00 Estrutura de

painéis

solares

Total (MT): 50.350,00 MT

Dimensionamento de equipamentos (cont.)

CENARIO B

Equipamento

Quant.

Custo unitário

(MT)

Custo por

quantidade

(MT)

Distância mínima entre

painéis solares

Módulo solar 6 6.370,00 38.110,00

𝑑 = 1.48 𝑚

Bateria 4 11.000,00 44.000,00

Controlador de carga 2 4.836,00 9.672,00

Inversor 1 3.400,00 3.400,00

Outros

Condutores

5% do total

= 5.865,00 Estrutura de

paineis

solares

Total (MT): 100.060,00 MT

4.5 Viabilidade Técnica

O período em que se espera uma geração ligeiramente abaixo da demanda

energética nos dois cenários, é de Abril a Agosto, com um défice diário de

0.4 𝑘𝑤𝑕 e 1.2 𝑘𝑤𝑕 para os cenários A e B respectivamente e, espera-se uma

geração de electricidade de aproximadamente 0.814 𝑀𝑤𝑕/𝐴𝑛𝑜 e 2.5 𝑀𝑤𝑕/𝐴𝑛𝑜 para estes cenários na mesma ordem.

86.67 82.35 72.54

60.84 50.4 44.73 47.07

56.16 67.07

76.5 82.8 86.94

260.01 247.05 271.62

182.52

151.2 134.19 141.21

168.48

201.15

229.5

248.4 260.82

0

50

100

150

200

250

300

350

400

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Ger

açã

o m

ensa

l (k

wh

)

Mês

Cenario B

Cenario A

𝑫 ̅_𝑩= 189,9 kwh

𝑫 ̅_𝑨=𝟔𝟒 , 𝟐 𝒌𝒘𝒉

4.6 Viabilidade Económica

Método de análise: Payback simples.

Considerou-se 𝐶𝑢𝑠𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑛𝑢𝑡𝑒𝑛çã𝑜 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙 𝑑𝑜 𝑆𝐹𝑉 10% 𝑑𝑎 𝑟𝑒𝑐𝑒𝑖𝑡𝑎 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙 .

𝑅𝑒𝑝𝑜𝑠𝑖çã𝑜 𝑞𝑢𝑖𝑛𝑞𝑢𝑒𝑛𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠.

𝐶𝑢𝑠𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑣𝑒𝑛𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎: 𝐶𝑒 = 11.31𝑀𝑇

𝑘𝑤ℎ.

Os gráficos abaixo ilustram os tempos de retorno de investimentos perante

estas condições, sendo de 13 anos e 9 anos para os dois cenários.

4.7 Resultados: Discussão Desvantages das fontes usadas localmente: Há maior frequencia na aquisição de

velas e pilhas; o uso destas facilmente expõe o usuário a riscos de incêndio e, podem causar problemas de saúde e/ou ambientais, incluindo o facto das pilhas não puderem ser recicladas e no local não existir um mecanismo de recolha destas quando caem em desuso; os geradores a gasolina requerem muitas reparações e frequente compra de combustível.

Na análise da viabilidade técnica, o défice nos meses de baixa radiação solar, pode ser compensado, visto que as estimativas de consumo diário são máximas e nem sempre esse consumo pode ser atingido.

Quanto a viabilidade económica, nota-se que os investimentos podem retornar em tempo inferior ao tempo de vida útil dos módulos solares (13 anos e 9 anos para os cenários A e B respectivamente), o que garante lucros nos restantes anos.

Aliado aos 3 pontos acima, os sistemas fotovoltaicos autónomos domiciliares estudados mostram-se, técnica e economicamente viáveis neste local de estudo, quando comparados com as fontes que actualmente são usadas para satisfação de necessidades energéticas.

CAPITULO V: CONCLUSÃO

O trabalho realizado visava apurar a viabilidade de electrificação residencial

através de SFVA’s, sendo que das análises feitas, concluiu-se que:

A aquisição dos equipamentos constituintes dos sistemas fotovoltaicos ainda pode

constituir um obstáculo para sua implementação devido ao seu custo;

Os sistemas fotovoltaicos autónomos domiciliares podem ser considerados viáveis

quando são levados em conta os aspectos de interesse que envolvem a sua

implementação, incluindo a finalidade da tal implementação, aspectos económicos e

principalmente aspectos sociais;

Olhando-se para os SFVA’s estudados, especialmente para as análises técnicas e

económicas feitas, conclui-se que os SFVA’s são viáveis para a electrificação

residencial em Maciene, visto que o défice na energia gerada é mínimo e, os

investimentos iniciais de 50.350,00 Mt e 100.060,00 (Cenários A e B

respectivamente), retornam em tempo inferior ao da vida útil dos modulos solares,

respectivamente 13 anos e 9 anos, o que garante lucros para os restantes anos de

vida útil de todo sistema.

CAPITULO VI: REF. BIBLIOGRÁF.

BRAGA, P., Renata; Energia solar fotovoltáica: Fundamentos e aplicações; Brasil; 2008.

CHAMBULE, A., Jaime; Impacto socio – ambiental dos sistemas fotovoltáicos em Moçambique; Moçambique – Maputo; 2010.

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DE SOUSA, Rosiane; Análise da relação entre o consumo de energia eléctrica e variáveis socioeconômicas; Brasil; 2010.

GITMAN, J.; Princípios da administração financeira; Brasil; 2010.

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MELO, Victor; ESTUDO DO COMPORTAMENTO DA RADIAÇÃO SOLAR NA REGIÃO SUL DO SAVE; Moçambique – Maputo; 2003.

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VAREJÃO – SILVA; METEOROLOGIA E CLIMATOLOGIA; Brasil; 2006.

VASCONCELOS, B. Vinicius; ESTUDO DE IMPLANTAÇÃO DE UM SISTEMA DE MICROGERAÇÃO DISTRIBUÍDA RESIDENCIAL; Brasil; 2013

VILLALVA, M. Gradella; GAZOLI, J. Rafael; Energia solar fotovoltaica conceitos e aplicações – Sistemas isolados e conectados à rede; São Paulo; 2012.

Website 1: www.heliografo.png Acessado aos 26.09.2016, ás 13h:38’.

Website 2: www.leiautdicas.com/2016/01/3ocapitulo-associacao-de-paineis-solares/

“Acredito muito na sorte e descubro que, QUANTO MAIS TRABALHO, MAIS SORTE EU TENHO.”

(Stephen Leacock)