SISTEMAS FOTOVOLTAICOS E SISTEMAS HÍBRIDOS PARA ELETRIFICAÇÃO RESIDENCIAL RURAL

Gilnei Carvalho Ocácia1, João Carlos Vernetti dos Santos2 eRenato de Ávila Cônsul3

Departamentos: 1Ciências Agrárias, 2Engenharia Elétrica e 3Matemática Universidade Luterana do Brasil

92420-280 Canoas-RS tel: (051) 477-9285 fax (051) 477-1313

RESUMO

Este trabalho consiste no desenvolvimentode método para especificação de sistemas paraenergização rural residencial com utilização depainéis fotovoltaicos e de unidades híbridas(aerogeradores e painéis fotovoltaicos),complementados pela utilização de madeira paraprodução de calor. Foi desenvolvido um softwarepara dimensionamento do sistema de suprimentoelétrico através de dados de radiação solar e develocidades médias mensais de vento. O método foitestado na região nordeste do RS.

A carga elétrica principal é composta porlâmpadas compactas de 15 W, refrigerador de 290 Le televisor color 14”. Os usuários são orientadospara utilizar racionalmente a energia perfazendo umconsumo mensal médio de 40 kWh. O consumo demadeira é de difícil quantificação e controle, pois oseu uso é tradicional na região, inclusive nas áreasurbanas. Na zona rural, a maior parte da madeira éobtida de resíduos florestais na propriedade onde éconsumida. Já nas cidades, onde a lenha é adquiridade terceiros, as estimativas apontam para umconsumo médio próximo de 1,5 estéreos, ouaproximadamente 3.300 kWh/mês.

Os sistemas de geração de energia elétrica,especificados após os devidos ajustes no método,apresentam as seguintes configurações: a) cincopainéis PV de 75 W; e, b) um aerogerador de 400 We dois painéis PV de 75 W. Ambos os sistemas, sãocompostos pelos seguintes periféricos: banco de seisbaterias, 12 V, 115 Ah; controlador de carga; e,inversor CC/CA de 1000W.

ABSTRACT

This work consists of the development ofmethod for specification of systems for residentialrural energização with use of panels fotovoltaicosand of hybrid units (aerogeradores and panelsfotovoltaicos), complemented by the wood use forproduction of heat. A software was developed for

dimensionamento of the system of electric supplythrough data of solar radiation and of monthlymedium speeds of wind. The method was tested inthe northeast area of RS.

The main electric charge is composed bycompact lamps of 15 W, refrigerator of 290 L andtelevision color 14.” The users are guided to use theenergy perfazendo rationally a medium monthlyconsumption of 40 kWh. The wood consumption isof difficult quantification and control, becausehis/her use is traditional in the area, besides in theurban areas. In the rural area, most of the wood isobtained of forest residues in the property where isconsumed. Already in the cities, where the firewoodis acquired of third, the estimates appear for a closemedium consumption of 1,5 stereos, orapproximately 3.300 kWh/mês.

The systems of electric power generation,specified after the due fittingses in the method, theypresent the following configurations: the) five panelsPV of 75 W; and, b) an wind generator of 400 Wand two panels PV of 75 W. Both systems, they arecomposed by the following ones outlying: I supportof six batteries, 12 V, 115 Ah; load controller; and,investor CC/CA 1000W.

INTRODUÇÃO

O aproveitamento de fontes renováveis deenergia, obtido através da transformação direta derecursos naturais como a força do vento e a energiasolar direta, constitui importante opção nos lugaresonde não há rede elétrica ou onde a extensão destaseja inviável economicamente (OCÁCIA eCÔNSUL, 1999). Tal situação ocorre especialmentenos meios rurais afastados de centros urbanos, ondehá baixa densidade populacional e baixa renda percapita. Pequenos aproveitamentos hidrelétricospodem ser a solução mais viável, onde esta fonteestiver disponível. Outras opções, como as usinastermelétricas e hidrelétricas de grande porte,enfrentam crescente resistência, devido ao impactoambiental muito grande à fauna e flora locais.

Por outro lado, nos sistemas de suprimentode energia elétrica, isolados, de pequeno porte, opapel da geração de energia está mais vinculado como social do que o econômico. Os países emdesenvolvimento não conseguem fornecer energiaelétrica a todos os seguimentos da sociedade,principalmente, os setores mais afastados dos pontosde distribuição, como é o caso das pequenaspropriedades rurais.

Estes pequenos produtores rurais, sem dispordos benefícios oriundos da eletricidade, muitas vezese com muita freqüência, abandonam suaspropriedades em busca de uma qualidade de vidamelhor nos grandes centros urbanos do país.

No Rio Grande do Sul, existem 130.000propriedades rurais que não dispõem de energiaelétrica, segundo estimativas da FAMURS (1997).Há uma expectativa que apenas 30.000 destaspropriedades rurais, possam ser atendidas pela redeelétrica convencional. As demais, poderiam terenergia elétrica com o aproveitamento de fonteslocais e renováveis de energia tais como: solardireta, biomassa, hidráulica e eólica.

Na maior parte das propriedades rurais nãoeletrificadas, os proprietários tem baixo poderaquisitivo. Para estas pessoas, iluminação e umaparelho de comunicação tipo rádio ou televisão,representam uma grande melhoria em sua qualidadede vida, mas especialmente a refrigeração paraconservação de alimentos, tem uma extraordináriaimportância.

A importância de sistemas de prediçãoO dimensionamento e a operação de sistemas

fotovoltaicos autônomos com bateria sãoinfluenciados pelas condições climáticas locais epelas características do consumo de energia, o qualsofre também influência do clima. No lado dageração, uma variação da temperatura ambientepode alterar a tensão nos terminais de um painelfotovoltaico bem como da bateria, sendo quetemperaturas mais elevadas reduzem o rendimentoglobal do sistema. No lado do consumo, umrefrigerador situado em região de maior latitude, porexemplo, opera durante um maior número de horasno verão, quando a temperatura ambiente égeralmente mais elevada. A iluminação, por outrolado, responde por uma parcela de consumo maiselevada no inverno, em virtude do menor número dehoras de sol. Todos estes aspectos, bem como otamanho nominal e o tipo dos componentes dosistema, determinam o regime de carga/descarga aque estará submetido o banco de baterias, comrepercussão direta sobre a eficácia e sobre os custosdo sistema.

A instalação de plantas-piloto é fundamentalpara avaliar todos estes problemas, pois viabiliza omonitoramento detalhado da operação destessistemas a partir de uma ou mais plantas típicas,

onde diversas situações de geração e de consumopodem ser arranjadas. O conhecimento e a análisedos dados monitorados permitem o estabelecimentode relações entre grandezas de interesse,possibilitando o desenvolvimento e validação de ummétodo de dimensionamento adequado a situaçõesreais. Uma vez validado, o método pode sertranscrito para uma linguagem de programação,permitindo a simulação e dimensionamento dediversas configurações de sistemas. Com o estudo dediferentes sistemas é possível realizar uma análise desensibilidade, estabelecendo desta forma sistemaspadronizados para situações típicas, o que poderiaacarretar, em última análise, em redução global decustos. Um programa de computador que ofereçaestas possibilidades torna-se uma ferramenta útilpara utilização em estudos de planejamentoenergético.

DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS

. O dimensionamento de sistemas fotovoltaicose/ou eólicos inclui, geralmente, a implementação dosseguintes passos:

a. Estabelecimento da finalidade daaplicação

b. Estimativa da demanda de energia(cenários/hipóteses),

c. Estimativa do potencial de energiasolar/eólica (cenários/hipóteses),

d. Estabelecimento do conceito desistema (tipos de componentes econfiguração do sistema),

e. Estabelecimento de critérios técnicosde avaliação,

f. Dimensionamento (estimativa dotamanho nominal dos componentes) dosistema, considerando os cenários ecritérios adotados,

g. avaliação econômica (análise desensibilidade),

Então é realizada a seleção final de umaalternativa, sob a consideração adicional de fatoresexternos de influência e de condições de contornolocais.

O programa computacionalFoi desenvolvida a versão BETA de um

“software” para seleção de sistemas fotovoltáicos eeólicos.

O SmS-RGE Beta 1.0 é uma ferramenta defácil manuseio, que permite o dimensionamento desistemas regenerativos de energia, os quais sãovisualizados na forma de circuitos monofilares emjanelas individuais de projeto.

O programa disponibiliza seisconfigurações diferentes de sistemas, as quaispodem ser selecionadas pelo usuário para afinalidade de dimensionamento. O sistemaselecionado pode ser gravado em arquivo no disco

rígido com formato especial do programa, podendoser posteriormente reutilizado.

Um conjunto de símbolos gráficos decomponentes (geradores fotovoltaicos,aerogeradores, bateria, controlador de carga,inversores, bem como cargas cc e ca) forma cadauma das configurações de sistemas. Cadacomponente é modelado de forma que poucosparâmetros externos são requeridos. Para visualizar ealterar os parâmetros/propriedades de cadacomponente, basta clicar sobre o componente eseguir as instruções indicadas.

Após atribuir propriedades aoscomponentes, o usuário pode mandar o programadimensionar o sistema. Fazendo isto, o sistema ésimulado e os resultados do dimensionamento sãoapresentados ao lado do sistema na mesma janela deprojeto.

ComponentesOs seguintes componentes de sistemas

regenerativos estão disponíveis no SmS-RGE:a. Gerador fotovoltaico : O símbolo

para um gerador fotovoltaico dispõealém da figura correspondente umterminal para conexão monofilar. Ocomponente é simuladomatematicamente através do modelo deum diodo.

b. Aerogerador : O símbolo para umaerogerador dispõe além da figuracorrespondente um terminal paraconexão monofilar. Suas propriedadeseditáveis são dadas através de umbanco de dados, oferecendo ao usuárioa possibilidade de entrar com dados develocidade de vento média mensal. Omodelo de aerogerador disponível temseu nome indicado. Internamente, oprograma utiliza uma curva develocidade de vento versus energiaelétrica de saída do aerogerador.

c. Controlador de carga : O símbolopara um controlador de carga dispõealém da figura correspondente umterminal para conexão monofilar. Suaspropriedades estão combinadas com aspropriedades do banco de baterias,incluindo autonomia do sistema(número de dias em que as cargas sãoatendidadas unicamente pelo banco debaterias) e profundidade de descargamáxima admissível. Outros parâmetros,como eficiência de carga, coeficientede descarga e outros, são definidosinternamente pelo programa.

d. Inversor : O símbolo para um inversordispõe além da figura correspondenteum terminal para conexão monofilar. A

propriedade editável é o seurendimento nominal em percentagem.

e. Banco de baterias : O símbolo paraum banco de baterias dispõe além dafigura correspondente um terminal paraconexão monofilar. Três tamanhos debaterias são oferecidos para o usuárioselecionar, em função da capacidadeem Ah por bateria. A tensão nominalde todos os modelos é de 12 volts (nasimulação, o programa dimensiona obanco de baterias em 12 volts parasistemas fotovoltaicos e em 24 voltspara sistemas eólicos e híbridos).

f. Carga em corrente contínua cc : Osímbolo para carga dispõe além dafigura correspondente um terminal paraconexão monofilar. Suas propriedadeseditáveis são: consumo diário médiomensal ou um perfil médio anual diário(curva de carga). Os valores médiosdiários podem ser em Wh, kWh ouMWh.

g. Carga em corrente alternada ca : Osímbolo para carga dispõe além dafigura correspondente um terminal paraconexão monofilar. Suas propriedadeseditáveis são: consumo diário médiomensal ou um perfil médio anual diário(curva de carga). Os valores médiosdiários podem ser em Wh, kWh ouMWh.

SistemasO programa possui os seguintes tipos pré-

definidos de sistemas, sendo que cada um consistede diferentes componentes (geradores, conversores ecargas):1. Sistema fotovoltaico em corrente contínua2. Sistema eólico em corrente contínua3. Sistema fotovoltaico em corrente alternada4. Sistema eólico em corrente alternada5. Sistema híbrido em corrente contínua6. Sistema híbrido em corrente alternada

VALIDAÇÃO DO MODELO

Os equipamentos consumidores utilizados nodesenvolvimento do método de dimensionamentocomputadorizado foram definidos através dascaracterísticas técnicas de equipamentos comerciais,bem como através de perfis típicos de carga,combinados com o processo estocásticodesenvolvido por SANTOS (1996).

Inicialmente foram estabelecidos três tipos decarga:

a) somente lâmpadas, comgeração de energia através deum painel PV, 75W (figura 1);

b) lâmpadas e TV, com geraçãode energia através de doispainéis PV (figura 2); e,

c) lâmpadas, TV e refrigerador,com geração de energia

através de painéis PV e/ou deum aerogerador (figura 3 efigura 4).

Figura 1. Instalação com um painel PV.

Figura 2. Instalação com dois painéis PV.

Do aprofundamento dos contatos compossíveis usuários; de um melhor conhecimentosobre o local; e da operação em condições reais defuncionamento dos sistemas, resultaram algunsajustes no software, estabelecendo modificações em

relação à configuração inicial dos modelospropostos para geração.

a. todos os sistemas passaram a contarcom inversor, mesmo aqueles ondeinicialmente estava previsto apenasiluminação, pois isto permite o uso

eventual de pequenoseletrodomésticos convencionais

b. os sistemas com refrigerador passarama contar com um conjunto de seisbaterias – três conjuntos, em paralelo,de baterias em série, duas a duas(inicialmente haviam sidodimensionados com quatro baterias).

c. o inversor de 12Vcc / 115Vvca,600W, utilizado nos sistemas comcinco painéis fotovoltáicos em série,teve que ser substituído por um de1000 W para suportar a partida dorefrigerador;

Figura 3. Instalação com cinco painéis PV

d. os sistemas eólicos foram instaladosem paralelo com sistemas fotovoltáicosde dois painéis em série devido a nãoconfirmação das condições de ventopreditas.

A partir dessas considerações, as atuaisconfigurações das unidades de geração para ossistemas com refrigerador, para as condições deradiação solar e de ventos da região onde foraminstalados os sistemas (municípios de São Franciscode Paula e Cambará), são às seguintes:

Sistemas fotovoltaicos:a. 5 painéis fotovoltáicos modelo

Atersa de 75 Wpico;b. controladorc. seis bateria delphi 2000 de

110 Ah;d. um inversor statpower 1000.

Sistemas híbridos:a. 2 painéis fotovoltáicos modelo

Atersa de 75 Wpico;b. um aerogerador Mariner 403,

de 400 Wc. controladord. seis bateria delphi 2000 de

110 Ah;e. um inversor statpower 1000.

CONCLUSÕES

Os sistemas locais de produção de energiaelétrica a partir de energia solar direta e de energiaeólica, ainda apresentam um custo elevado emrelação ao do kWh dos sistemas convencionais,entretanto apresentam algumas características que ostornam competitivos mediante algumas condições,onde as duas principais são: a distância em que ousuário se encontra da rede elétrica e o fator decarga da futura rede.

Quando o usuário está afastado da rede, ocusto de implantação do sistema pode ser muitoelevado, havendo competitividade dos sistemasautônomos, seguramente, para distâncias superioresa 2,5 km, podendo, mesmo, em alguns casos, havercompetitividade para distâncias muito pequenas, emfunção de características locais de topografia e/oupor questões ambientais onde exista a necessidadede desmatamento para possibilitar a passagem derede, ou, ainda, por uma demanda muito pequena.As principais vantagens de um sistema autônomosão as seguintes:• geração local de energia; não há necessidade de

linhas de transmissão;

• uso de fontes renováveis de energia;• custo fixo no horizonte temporal de vida útil da

instalação, exceto pela reposição de baterias;• elevada confiabilidade;• instalação modular que pode ser expandida

gradualmente

Figura 4. Sistema híbrido: aerogerador 400W e PV 150 W

As principais desvantagens de um sistemaautônomo são as seguintes:• investimento inicial elevado;• atualmente, somente é viável para instalações

afastadas da rede elétrica;• pequena disponibilidade de potência;Na energização de uma residência rural, através defontes renováveis de energia, é sempre convenientea combinação de energéticos ou de processos deprodução de energia, tomando como parâmetros aenergia útil e o potencial local. Especificamente,quando a geração de energia elétrica é via painéisfotovoltáicos ou aerogeradores, o aquecimento deágua, decididamente, não pode passar pelo uso deenergia elétrica, devendo ser realizado pelautilização de madeira ou de coletores solares paraaquecimento.

O uso de aerogeradores, para o tipo desistema proposto no desenvolvimento deste trabalho,somente pode ser adotado, de forma isolada, quandoa velocidade média do vento no mês em que esteapresenta seu valor mais baixo, for da ordem de 5m/s, caso contrário, é mais conveniente o uso desistema híbrido, com dois painéis fotovoltáicos.Quando a média anual for inferior a 4 m/s, é maisinteressante o uso do sistema com cinco painéisfotovoltáicos, sem o uso de aerogerador.

Os sistemas isolados exigem que haja umtreinamento dos usuários para que não desperdicemenergia de forma alguma, pois isso implica emindisponibilidade por um período correspondente aodesperdício e/ou na necessidade de maioresinvestimentos na geração e no sistema dearmazenamento, elevando o custo da energiautilizada. Este treinamento tem que ser muito bemconduzido de forma que as pessoas entendam queusar racionalmente a energia não significa sacrificaro conforto, mas sim obtê-lo pelo menor custopossível.

AGRADECIMENTOS

A RGE (Rio Grande Energia) financiadorado projeto “Desenvolvimento de Metodologia paraDimensionamento de Sistemas Fotovoltaicos eEólicos com Implantação de UnidadesExperimentais/Demonstrativas”.

REFERÊNCIAS

[1] OCÁCIA, G. e CONSUL, R. A. (1999). Aero-geradores de pequeno porte (400W a 1000W). IIIFOREMA (Fórum Regional de Energia e MeioAmbiente), Canoas.[2] FAMURGS (1988) Anuário Estatístico dosMunicípios. Porto Alegre.[3] SANTOS, J. C. VERNETTI DOS. (1998)Sistema fotovoltaico para suprimento de energiaelétrica para domicílios rurais do RGS:monitoramento e simulação. Anais do IV Encontrodo Fórum Permanente de Energias Renováveis,promovido pelo Ministério de Ciência e Tecnologia.Recife, Novembro de 1998.