PROJETO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS PARA OFERTA DEENERGIA ELÉTRICA A COMUNIDADES RURAIS

JOSÉ ADRIANO MARINI e LUIZ ANTONIO ROSSIUniversidade Estadual de Campinas – Faculdade de Engenharia Agrícola

Departamento de Construções Rurais e AmbiênciaCidade Universitária “Zeferino Vaz” – Distrito de Barão Geraldo - Caixa Postal: 6011

CEP: 13083-970 - Campinas–SP––Brasil - Tel: +55(19)788-1041 e Fax: +55(19)788-1010e-mail: rossi@agr.unicamp.br

RESUMO

Basicamente, o projeto de um sistemafotovoltaico consiste na determinação daquantidade necessária de módulos para atenderuma determinada solicitação de carga elétrica.Invariavelmente, o número de módulos sempredepende de dois fatores: quanto de eletricidadeé exigido e quanta radiação está disponível. Ouseja, deve-se buscar compatibilizar a demanda ea oferta. Diante disto, este trabalho procuroutornar possível dimensionar sistemasfotovoltaicos para eletrificação rural de formafácil, rápida e com racionalização deequipamentos e recursos financeiros, gerandoum programa computacional com metodologiae linguagem apropriadas, para auxiliar naanálise e no projeto de sistemas destinados aosuprimento de pequenas comunidades ruraisisoladas.

ABSTRACT

The energy supply to isolated ruralcommunities and remote areas has been aconstant challenge, mainly in theunderdeveloped countries or in development,due to the enormous economical and socialdisparities and, a lot of times, to thegeographical dimensions of these countries. Ofthis form, the analysis and the project ofphotovoltaic systems they become the morecomplex climatic and technical parameters they

are considered. Most of the manufacturers ofphotovoltaic modules and companies thatdevelop projects, it possesses programscomplex to aid in the project and selection ofthe several components of isolated photovoltaicsystems. The software was developed in theVisual language Basic and it has thecharacteristic of being the friendliest possiblefor use, making possible the accomplishment ofprojects of photovoltaic systems andeconomical analysis of the involved equipmentsin way easy, fast and with rationalization ofequipments and financial resources since readyfor use is intended for municipal, stategovernment institutions and you federate, ruralclass entities and agricultural cooperatives.

INTRODUÇÃO

O suprimento energético acomunidades rurais isoladas e a áreas remotastem sido um constante desafio, principalmentenos países subdesenvolvidos ou emdesenvolvimento, devido às enormesdisparidades econômicas e sociais e, muitasvezes, às dimensões geográficas destes países.

Possibilitar a cada habitante de umacomunidade o acesso aos bens energéticos (e aoutros serviços e benefícios) é uma forma deintegração social, distribuição de renda e deencaminhamento nos rumos dodesenvolvimento sustentado, em especialquando fontes energéticas renováveis e

características técnicas e sócio-econômicaslocais são priorizadas.

Há algum tempo, os sistemas desuprimento de energia alternativadescentralizados, utilizando recursosrenováveis, tem sido empregados noatendimento a comunidades mais isoladas.Vários tipos destes sistemas tem sido relatadospor muitos autores, os quais descrevemmétodos que demonstram serem aquelessistemas economicamente viáveis e/outecnicamente factíveis. O avanço da tecnologia,principalmente nas áreas solar e eólica, vemcriando opções para a geração de eletricidadede forma não poluente.

A energia fotovoltaica constitui-senuma solução interessante para áreas remotascom muita radiação solar e sem eletricidade. Ossistemas fotovoltaicos são usados para gerarenergia elétrica para instalações de:bombeamento de água, refrigeração,iluminação, telecomunicações, etc. Estessistemas estão tornando-se, cada vez mais, umaopção interessante à medida que suaconfiabilidade aumenta e o custo por watt estádiminuído, tornando os, os sistemasfotovoltaicos uma alternativa interessante à redeelétrica para o suprimento de eletricidade a umadiversidade de pequenas aplicações (cargas) emáreas rurais e regiões remotas.

Os sistemas fotovoltaicos oferecemmuitas vantagens: não possuem partesrotativas, tem longa vida útil, a manutenção émínima, não gera poluição ou ruído, não requercombustível, exceto o Sol, é modular ouexpansível, é leve e fácil de transportar e estádisponível o ano todo.

Desta forma, a análise e o projeto desistemas fotovoltaicos tornam-se maiscomplexos quanto mais parâmetros climáticos etécnicos são considerados. A maioria dosfabricantes de módulos fotovoltaicos ecompanhias na América do norte e na Europa,que comercializam projetos simples, possuemprogramas computacionais complexos paraauxiliar no projeto e seleção dos várioscomponentes de sistemas fotovoltaicosisolados.

O principal objetivo deste trabalho égerar um programa computacional, commetodologia e linguagem apropriadas, paraauxiliar na analise e no projeto de sistemasfotovoltaicos destinados ao suprimento depequenas comunidades rurais, de modos fácil e

rápido e com racionalização de equipamentos erecursos financeiros.

A linguagem computacional escolhidapara o desenvolvimento do software, queproporcionará o dimensionamento dos painéisfotovoltaicos para uso em comunidades rurais, éa Visual Basic, que oferece uma interface comcaracterísticas simples, atraente e,principalmente, objetiva, facilitando o trabalhode inserção de dados e da coleta dasinformações desejadas.

MATERIAIS E MÉTODOS

O modelo “NAD” (Número de DiasAutônomos) constitui-se numa metodologiaconvencional de dimensionamento de sistemasde geração autônomos com armazenamento deenergia.

Para sistemas fotovoltaicos, através doconhecimento da distribuição mensal daradiação solar incidente no plano coletor,determina-se a potência instalada utilizando aradiação solar média diária do mês menosfavorável, ou seja, o mês que apresenta o menoríndice de radiação solar, garantindo assim oatendimento da energia diária requerida.

A energia gerada pelo painel varia emfunção do ângulo de inclinação do Sol, e empainéis fixos, sem o rastreamento do Sol, deve-se calcular o ângulo de inclinação para quereceba energia solar de maneira uniforme com otranscorrer do ano.

A capacidade das baterias édeterminada em decorrência da freqüência dosdias de menor radiação ou da quantidade dedias nublados durante o transcorrer de umperíodo no ano e dos dias de armazenamentodesejado

Dois métodos de operação dos módulosfotovoltaicos serão indicados pelo programa:

• a) painéis fixos, sem alteração noângulo e orientação• b) ângulo variável e orientação fixa deacordo com as estações do ano

A tabela 1 apresenta as posiçõesrecomendadas para maximizar a coleta deradiação solar pelos módulos fotovoltaicos paraas duas operações consideradas. Para o primeiromodo, o ângulo e orientação são fixos. Sobestas condições, o ângulo é igual à latitude dolocal de instalação para maximizar a energiasolar coletada pelos módulos fotovoltaicos.

Tabela 2: Ângulo e orientação dos módulos solares de acordo com os modos de operação

Modos de Operação Ângulo dos Painéis Orientação (graus)Ângulo e Orientação fixos Latitude do local 0°

Orientação fixa e ângulo ajustado

de acordo com as estações do ano

Primavera: latitude do local

Verão: latitude do local – 15

Outono: latitude do local

Inverno:latitude do local +15

0°

0°

0°

0°

A orientação é colocar os módulosvoltados para o Sul em locais localizados nohemisfério norte e voltados para o Norte nohemisfério sul.

Para o segundo modo, o ângulo éajustado quatro vezes ao ano. Os ajustes doângulo mantêm os módulos voltados para o Sol,maximizando a energia coletada evitando osaltos custos dos mecanismos que localizamautomaticamente o Sol.

O método mais difundido paradimensionamento é o do número de dias dearmazenamento desejado ou número de diasnublados consecutivos (freqüência máxima).Neste método, a potência instalada, acapacidade de armazenamento das baterias, onúmero de módulos em série e em paralelo sãodeterminados como a seguir:

a) Potência a ser instalada

PI = DDT / NH (1)

em que:

DDT – Demanda diária total de energiarequerida pelas cargas

PI - Potência de painéis fotovoltaicos (kW)NH - Número de horas de máxima radiação

solar (h)

b) Baterias

CAB = invDB

DADDT

η∗∗

(2)

CAB - Capacidade de armazenamento dasbaterias (kWh)

DA - Número de dias sem radiação solar (diasde armazenamento)

DB - Amplitude de descarga das bateriasηinv - rendimento do inversor

c) Módulos

Em Paralelo:

NMP = IC / IGP (3)

onde:

NMP - Número de módulos em paraleloIC - Corrente máxima das cargas (A)IGP - Corrente média gerada nos painéis (A)

Em Série:

NMS = VC / VGP (4)

onde

NMS - Número de módulos em sérieVC - Tensão requerida pelas cargas (V)VGP - Tensão fornecida pelos painéis (V)

Número total de painéis:

NTP = NMP * NMS (5)

onde

NTP = Número total de painéis a ser utilizadopelo sistema

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Pelo apresentado, o programacomputacional, primeiro objetivo destadissertação,, teve como finalidade odesenvolvimento de um programacomputacional para o projeto de sistemasfotovoltaicos.

O projeto do sistema fotovoltaico édesenvolvido baseado nos componenteselétricos presentes na propriedade e seusrespectivos consumos energéticos eposteriormente é fornecida uma análise daviabilidade econômica de implantação do

projeto e, se for o caso, do tempo de retorno docapital investido baseado nas economias com ouso da rede elétrica convencional.

A validação do programa foi feitacomparando-se seus resultados com os deoutros projetos já instalados e que funcionamsatisfatoriamente, além de comparações comoutros programas desenvolvidos em outrospaíses.

As figuras 1 e 2 mostram,respectivamente, a tela do programa em que ésolicitada a entrada de dados e a tela que mostraos resultados finais.

Figura 1 - Entrada de dados econômicos e técnicos para o dimensionamento e análise econômica.

Figura 2 - Apresentação do dimensionamento do sistema e resultados econômicos envolvendo o projeto.

CONCLUSÕES

Após sua validação, pode-se constatar que oprograma pode vir a ser uma ferramenta útil noprojeto e analise econômica de sistemasfotovoltaicos em nosso pais, onde grande parte dapopulação que vive em áreas isoladas não dispõe dequalquer meio de fornecimento energético,principalmente na região norte, onde a irradiaçãofavorece este tipo de geração energética, e que osprogramas até então disponíveis no mercado ou sãomuito caros, impossibilitando seu acesso a maioriada população interessada ou requerem um elevadoconhecimento técnico para seu uso, o que tambéminviabiliza seu uso. Pela sua funcionalidade einterface amigáveis, este programa pode vir adifundir o uso da energia fotovoltaica nestas regiões,trazendo consigo melhorias no nível de vida sóciocultural daquelas populações.

PALAVRAS CHAVES

Energia Fotovoltaica, Programa Computacional,Energização Rural.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem ao CNPq pela bolsa depesquisa que possibilitou o desenvolvimento destetrabalho.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] BOILY, R., SAWADOGO, A., ROSSI, L.A.Desenho de sistemas fotovoltaicos paracomunidades rurais. XXVII Congresso Brasileirode Engenharia Agrícola. Poços de Caldas – MG,1998.

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