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Departamento de Engenharia Elétrica
Otimização técnico-econômica de sistemas fotovoltaicos com baterias para armazenamento
Aluno: Maria Samara Nascimento Amorim Orientador: Álvaro de Lima Veiga Filho
1. Introdução Geral “Energia fotovoltaica é a energia do futuro”, afirma Eduardo Lana, gerente de
Planejamento da Light Esco, membro do grupo Light de comercialização de projetos de eficiência energética. De fato, o Brasil se encontra em posição de destaque no campo de investimento em aproveitamento da energia solar visto o país contar com enorme potencial de produção de energia fotovoltaica (280 dias de sol por ano) [1].
Segundo análise divulgada pelo Deutsche Bank alemão, a energia gerada pelas placas solares pode ser competitiva sem nenhum subsídio do governo a partir do final deste ano. Tais estudos foram baseados na atual queda de preços e demanda de energia solar na Índia, China, no Reino Unido, Alemanha e Estados Unidos. No Brasil, cidadãos podem contar com o Sistema de Compensação, implementado pela Resolução 482 ANEEL. 2. Objetivos
Pretendeu-se com o atual projeto modelar a produção de energia elétrica da PUC-Rio por painéis fotovoltaicos implementados na área de cobertura da faculdade. Tal sistema conectado à rede de distribuição pública deveria cobrir a demanda de energia da instituição de maneira a evitar os picos de energia além do permitido pelo grupo LIGHT.
3. Metodologia
3.1. Estimativa do Consumo de Energia da PUC-Rio A geração de energia depende da demanda da mesma; logo, foi realizada uma
estimativa da média de energia consumida total e diariamente na PUC-Rio para poder realizar a modelagem do sistema fotovoltaico que atendesse aos objetivos deste projeto.
O consumo de energia calculado trata-se da potência elétrica consumida com suas devidas cargas em certo período de tempo por cada aparelho considerado na região/estabelecimento. Esse valor de potência é encontrado nos próprios aparelhos e o consumo de energia seria a máxima potência que um aparelho pode necessitar. Esse valor é geralmente encontrado nos próprios aparelhos ou pode ser estimado pela medição do consumo da corrente (em ampères) e multiplicado pelo valor nominal do aparelho.
As cargas consumidas representam a maior influência sobre o tamanho e o custo de um sistema PV e podem ser medidas em Wh ou kWh. O total de carga consumida por dia depende do consumo de energia por aparelho, que pode ser estimada em kWh pela equação 3.1 abaixo:
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Onde n representa a quantidade desse tipo de carga. é o consumo de energia do
tipo de carga. é o número de horas em que este utilitário é acionado por dia, consumindo
carga. é número de dias em que esta carga é usada durante uma semana. O total de
kWh/dia de todas as cargas é obtido pelo somatório do consumo das cargas individuais como
na equação 3.2, abaixo.
Onde kWh Total/dia é o somatório dos consumos individuais com um consumo de
carga em kWh/dia e para calcular a carga anual, aplica-se a fórmula a seguir:
Objetivando calcular a potência total instalada ou, em outras palavras, a potência
máxima consumida se todos os aparelhos elétricos fossem ligados ao mesmo tempo, aplica-se
o somatório de todos os de todas as cargas i.
Nesse projeto, foi considerado o consumo de energia elétrica da PUC-Rio como o valor nominal de potência1 medida pela LIGHT.
3.2. Visão Geral do Dimensionamento do Sistema
Foi realizada a simulação de geração de energia solar por painéis fotovoltaicos implementados na PUC-Rio que contribuísse para a diminuição dos custos de eletrificação da instituição.
O dimensionamento dos painéis fotovoltaicos buscou maximixar o seu uso de modo a viabilizar economicamento o conjunto e cobrir a demanda de energia elétrica da universidade.
3.3. SAM (System Advisor Model)
O software utilizado para realizar simulações de geração de energia elétrica é um software de modelização desenvolvido pelo Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL) e Laboratório Nacional Sandia (SNL), em parceria com o Departamento de Energia dos EUA do Programa de Tecnologias de Energia Solar (SETP). O SAM fornece um quadro coerente para analisar e comparar os custos do sistema de potência, desempenho e economia em toda a gama de tecnologias de energia solar e mercados.
1 Potência é a energia concedida por uma fonte a cada unidade de tempo; logo,
com esse valor têm-se a demanda de energia elétrica da PUC-Rio.
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Através de modelizações em bases horárias, diárias, mensais e anuais, o SAM permite a análise da quantidade de energia elétrica produzida pela implementação de painéis solares em quaisquer territórios ao longo do planeta, apenas com os dados do TMY do território.
3.4. Área de Instalação dos Painéis Solares
Foi estimada a área da PUC-Rio que poderia ser coberta por painéis para a produção de energia solar. As áreas mais expostas à radiação solar são os prédios Kennedy e Frings, Leme e RDC nas figuras 1, 2 e 3, respectivamente.
Figura 1. Prédios Kennedy e Frings (área 1)
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Figura 2. Prédio Leme (área 2)
Figura 3. Prédio RDC (área 3)
Estudou-se três possibilidades de implementação de painéis solares na PUC-Rio. Primeiramente, fez-se a simulação da energia solar produzida com a cobertura da área que envolvesse os três prédios juntos da universidade. Em seguida dois e, finalmente, apenas um.
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As áreas calculadas e inseridas no SAM encontram-se na tabela 1 a seguir:
Tabela 1. Área dos prédios
Prédios Área em m2 Área em acres
Todos 6362,142 1,57
Kennedy e Frings, Leme 5700,05 1,41
Leme 3572,74 0,883
Os dados acima foram inseridos no SAM em “Total Land Area” para o cálculo da produção da energia solar produzida pelos painéis solares, como mostra o exemplo da figura 4.
Figura 4. Exemplo de inserção de dado de área coberta
Pretendeu-se estudar a influência na produção de energia solar ao diversificar a área coberta por painéis solares.
3.5. Recursos Solares da PUC-Rio
O recurso solar é um fator determinante do quanto será a produção de energia a partir de um sistema fotovoltaico. Por se encontrar no seio do Rio de Janeiro, a PUC-Rio conta com um campo de enorme potencial de produção de energia fotovoltaica.
O ano meteorológico típico (TMY) foi obtido no site da U.S. Department of Energy através de um software de simulação da radiação solar em diversos países, o EnergyPlus Energy Simulation Software [3].
Para realizar as modelizações, foi preciso usar os dados do TMY fornecidos pelo site acima citado e embaixo exemplificados na figura 5.
Figura 5. Dados para a inserção do TMY da região da PUC-Rio.
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3.6. Módulos Fotovoltaicos
Um módulo fotovoltaico é composto de células fotovoltaicas interligadas e encapsuladas entre uma cobertura à prova de intempéries (geralmente de vidro) e placa traseira (geralmente um plástico laminado). Ela também terá um ou mais protetores de diodos de passagem. Os terminais de saída, seja em uma caixa de junção ou em forma de cabos de saída, estarão localizados na parte de trás. A maioria tem frames e aqueles que não têm frames, são chamados laminados. Em alguns, a placa traseira também é de vidro, que dá uma maior taxa de fogo, mas quase duplica o peso [2].
As células nos módulos estão conectadas em uma configuração projetada para oferecer uma tensão útil e uma corrente nos terminais de saída. Células ligadas em série aumentam a tensão de saída, enquanto as células ligadas em paralelo aumentam a corrente. Um grupo de vários módulos PV que estão ligados entre si, são chamados de painel solar [2].
O módulo de referência proposto pelo SAM é o SunPower SPR-210-BLK-U. Segue exemplificação de suas características na figura 6.
Figura 6. Característica do módulo fotovoltaico de referência utilizado no SAM
4. Resultados e Discussões
Ao realizar as simulações da energia solar gerada pelas três áreas propostas (área total composta pelos três prédios, área composta por dois prédios e área constituída por apenas um dos prédios da universidade), pouca diferença na produção de energia solar foi notada. Portanto, esse estudo apresenta sua análise embasada nos resultados da produção de energia solar proveniente da área total dos prédios da PUC-Rio.
De acordo com a simulação realizada no SAM, a energia solar produzida pela área total de prédios da PUC seria 4058 kWh por ano. Mensalmente, a geração de energia solar se apresenta conforme gráfico da figura 7, abaixo.
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Figura 7. Produção mensal de energia solar na PUC
Igualmente, o modelo nos apresenta uma estimativa de 17,5 anos para que o retorno do investimento aplicado nos painéis fotovoltaicos comece a dar lucro, o que é considerado razoável uma vez que a durabilidade da tecnologia solar ultrapassa em muito esse período de tempo.
A tabela de resultados fornecida pelo modelo se apresenta na figura 8, abaixo.
Figura 8. Tabela de resultados fornecidos pelo SAM
Para realizar a análise final do projeto, utilizamos os dados da demanda de energia elétrica da PUC-Rio durante o ano de 2011 a fim de se estimar a contribuição da energia solar gerada pelos painéis implementados. Seguem os valores no gráfico da figura 9.
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Figura 9. Consumo mensal de energia elétrica da PUC-Rio em 2011.
O consumo anual de energia elétrica da PUC-Rio no ano de 2011 foi 37566,8 kWh. Se o sistema de energia solar estivesse já nesse ano implementado, por exemplo, a redução na demanda de energia da universidade seria de 4058 kWh; ou seja, 10,8%.
5. Conclusões
Através da simulação computacional de geração de energia solar, foi possível determinar que a implementação de um sistema fotovoltaico na PUC-Rio reduziria em 10,8 % sua demanda de energia elétrica.
A energia solar é um meio viável e limpo de se produzir energia elétrica. As vantagens de se investir nesse tipo de tecnologia ultrapassa o campo de benefícios econômicos. As instituições preocupadas com o meio ambiente, bem como a PUC, farão muito bem em aceitar a implementação de tecnologias como os sistemas fotovoltaicos, pois estarão contribuindo não apenas para o desenvolvimento sustentável da universidade, mas também do país e de todo o planeta.
6. Referências 1. NETO, J. Energia solar é a aposta de grandes e pequenas empresas. Portal PUC-Rio
Digital. Disponível em <http://puc-riodigital.com.puc-rio.br/Jornal/Meio-Ambiente/Energia-solar-e-a-aposta-de-grandes-e-pequenas-empresas-12497.html>. Acesso em 28 de fev. 2014.
2. CHANG C. Otimização técnico-econômica de um sistema híbrido fotovoltaico-diesel com baterias para armazenamento, PUC-rio, 2012.
3. Disponível em < http://apps1.eere.energy.gov/buildings/energyplus/weatherdata_about.cfm?CFID=1371667&CFTOKEN=806178c38d7fc68c-0E3D32DA-CF46-F04F-848A9E9B66331B76&jsessionid=5F08CD7676FEBC5B3F5ABB0E362C2AE1.eere>.