USINAS HIDRELÉTRICAS PARA PRODUÇÃO DE ENERGIA COM SISTEMAS FOTOVOLTAICOS FLUTUANTES: UM ESTUDO DE CASO DA USINA. Segundo Strangueto, o potencial de geração de energia solar no Brasil a partir de reservatórios hidrelétricos é de 4.519 GWp e 4.443 TWh por ano (STRANGUETO, 2016).
Objetivos
Objetivo Geral
Objetivos Específicos
Justificativa
Assim, superfícies que não seriam utilizadas para outros fins podem se tornar atrativas para a instalação de painéis flutuantes. Ainda do ponto de vista financeiro, o projeto de painéis flutuantes é mais atrativo pelo fato de a área do reservatório não ser utilizada para outros fins, enquanto o uso de painéis solares no terreno inviabilizaria uma grande área.
Estrutura do Trabalho
Espera-se que a demanda por sistemas fotovoltaicos flutuantes aumente nos próximos anos, pois ajuda a reduzir o crescimento de algas nos reservatórios e reduz a evaporação da água. Para benefício da obra avalia-se a geração de eletricidade em eletrodomésticos em geral, fotovoltaicos, sistemas fotovoltaicos flutuantes em geral e em reservatórios e por fim módulos fotovoltaicos.
Geração de Energia Elétrica
Considerando a já mencionada quantidade de UHEs no Brasil, reservatórios de água para geração de recursos hídricos são comuns no território brasileiro. O Brasil precisa buscar outras fontes de energia elétrica, que mantenham a matriz elétrica brasileira predominantemente sustentável e que sejam benéficas.
Energia Fotovoltaica
A radiação solar que chega à superfície da Terra e incide sobre uma superfície geradora de energia consiste em dois componentes. Os dados de radiação apresentados até agora referem-se à radiação solar em um plano perpendicular ao de propagação (MASID, 2019). O termo "albedo" é definido como uma medida da quantidade de radiação solar refletida de um objeto ou superfície, calculada como a razão entre a quantidade de radiação refletida e a quantidade de radiação recebida (AZEVEDO, s.d.).
A radiação refletida da superfície pode retornar à atmosfera ou ser captada pelos próprios painéis, dependendo do ângulo de reflexão e da posição dos painéis.O albedo é uma variável que deve ser levada em consideração ao simular nosso software de energia solar. As coordenadas geográficas da instalação também são necessárias para determinar a quantidade de radiação que incide no local.
Sistemas Fotovoltaicos Flutuantes
Sistemas Flutuantes
Bóias para sustentação e fixação direta dos módulos: Construídas em termoplástico de alta densidade (HPDE) e fixadas em ângulo de 12º para módulos de 60 células, cada bóia ou arranjo de bóias será conectado a outro por meio de outra bóia HPDE com anti -escorregar. Flutuação com estruturas metálicas: As boias são menores e são responsáveis apenas por sustentar a estrutura metálica para que ela permaneça na superfície. Considerando a instalação na água, a estrutura deve ser resistente à corrosão, mas isso tem suas vantagens, pois é melhor para casos de painéis de dois níveis (gerando energia em ambos os lados) e o ângulo pode variar, pois a estrutura metálica instalada o mesmo no chão.
Membrana e tapetes: Uma grande estrutura formada por algum tipo de tecido, que é cercada por flutuadores; a instalação dos módulos é feita na superfície da membrana sem cantar, portanto, a desvantagem está relacionada à diminuição da eficiência devido ao canto, bem como à primeira navegação apresentada. Este tipo de flutuador é semelhante ao anterior, porém com um ângulo e com a facilidade de adaptação entre diferentes estruturas.
Ancoragem e Amarração
Estrutura tubular: Módulos de estrutura tubular com suportes fixos, para melhor aproveitamento da área disponível, ou no caso de acompanhamento solar, para maior facilidade de manuseio. A ancoragem é essencial no projeto de um sistema UFF para garantir a estabilidade e mobilidade das instalações durante o tempo de operação, sem que se soltem, fazendo com que os elementos flutuantes acabem se perdendo ou danificando. Vale ressaltar que o dimensionamento do sistema de amarração pode ser mais complexo em reservatórios com variações significativas do nível d'água.
Ancoragem por blocos de concreto: : Como se fosse uma âncora, os blocos de concreto são fixados à estrutura flutuante por meio de cabos ou cordas e. Esse tipo de ancoragem permite algum movimento dos elementos flutuantes, ou seja, é o menos fixo entre os sistemas.
Rastreador Solar
O outro sistema de rastreamento garante que as placas se movam em todas as direções, tornando importante as diferentes estações do ano no local de instalação. Outra diferença a ser observada em relação aos dois sistemas de rastreamento apresentados é que o primeiro pode ser movido em conjunto, ou seja, a mesma configuração pode ser movida com apenas um motor. Os sistemas de rastreamento para UFF estão começando a se tornar uma alternativa viável às instalações flutuantes.
Assim como nos sistemas terrestres, o rastreamento solar para sistemas flutuantes deve fazer com que todo o sistema se mova, ou seja, no caso de um flutuador, conforme mostrado na Figura 11, todo o flutuador deve girar. Rastreador com eixo vertical: A bóia possui um eixo vertical que permite a rotação de toda a bóia.
Módulos Fotovoltaicos
Hoje, os módulos com melhor eficiência são feitos de arsenieto de gálio, com eficiência de quase 32%, mas tem um preço muito alto em relação às células apresentadas no mercado (ENERGIA, 2021). A Canadian tem uma boa reputação no mercado por ser uma empresa canadense, é seguro dizer que tem peças de melhor qualidade (MASID, 2019). A escolha desta empresa para a análise dos painéis utilizados no mercado se deve ao fato de esta empresa disponibilizar a marca dos painéis que utiliza em seus projetos.
Outras tecnologias já foram apresentadas no mercado externo com sistemas flutuantes, os chamados ribbon panels, painéis que são colocados diretamente na água e utilizam sistemas de boias do tipo espaguete para evitar o naufrágio. Os painéis ribbon, embora declarados, não são elegíveis para utilização neste trabalho, pois este tipo de painel não é comercializado no Brasil, exigindo um investimento muito maior para uma nova tecnologia no mercado.
Escolha dos módulos fotovoltaicos e análise de estrutura
Amarração: Cordas náuticas ou de nylon são suficientes para a amarração e não requerem grandes estudos, pois não há problemas com seres vivos ou vegetação. Inversor: Não é necessária escolha específica de inversor, apenas a relação certa entre disposição do painel, corrente e tensão suportada pelo painel. Com a caracterização de alguns pontos para a simulação do PVsyst, é necessário analisar o ambiente da usina hidrelétrica junto com a coleta de dados da região para a instalação dos painéis.
Levantamento dos dados da Usina hidrelétrica de Itá
O objeto de pesquisa do trabalho é uma usina hidrelétrica em operação desde o ano de 2000, entre os estados do RS e SC, portanto no sistema buscaremos as usinas hidrelétricas, conforme figura 22. Por fim, precisamos obter o latitude e longitude da UHE Itá, para que seja possível obter a quantidade de radiação solar na região ou entorno, e o melhor ângulo de instalação dos módulos para obter uma melhor eficiência. As coordenadas já foram obtidas através do SIGEL, portanto o site do Centro de Referência de Energia Solar e Eólica Sérgio de S.Brito (CRESESB) indica a quantidade de radiação solar em KWh/m2.dia.
Pode-se observar no gráfico que há alguns aumentos no plano inclinado referentes aos meses de verão à medida que a irradiância solar aumenta devido ao movimento da Terra. A Tabela 6 mostra os valores de irradiância solar diária média mensal para as três opções de ângulo apresentadas.
PVsyst
O PVsyst possui diversas localidades em seu banco de dados, porém, como é necessária a localização exata da UHE Itá, deve-se utilizar a opção de adicionar a localização, utilizando os dados de longitude e latitude do mapa. Os dados básicos necessários são longitude e latitude, que já são fornecidos pelo sistema SIGEL e também são utilizados no site do CRESESB. Também é possível observar na figura 29 os dados de altura e o botão importar, que fará com que os dados sejam preenchidos na interface da figura 28.
Para a simulação é necessário ter em conta alguns dados meteorológicos que serão fornecidos pelo 'Meteonorm 7.2', nomeadamente radiação solar horizontal, radiação difusa horizontal, temperatura, velocidade do vento, turvação e humidade relativa, todos os dados são apresentados com análise do mês ao mês. mês, sendo que os dois primeiros dados relativos à radiação serão exibidos com a unidade de medida KWh/m2.dia, para manter a mesma unidade mostrada anteriormente na tabela 6. A parte superior do lado direito mostra os dados importantes do sistema: o número de módulos, a área necessária e o número de inversores 1000 kW.
Simulação no software PVsyst
Análise da simulação com módulos fotovoltaicos com angulação de 0°N
Na Figura 36 é possível analisar que as perdas por declividade horizontal são de 8,9% na região, e a radiação solar no nível dos módulos é de 1693kWh/m2. Primeiramente, analisa-se a geração fotovoltaica ao longo do ano e as perdas por absorção, em que o cantinho proposto apresenta uma queda significativa na geração fotovoltaica entre os meses de abril e setembro, levando em consideração os meses de inverno. Conforme a Figura 37, representamos a geração fotovoltaica em vermelho, as perdas por absorção em roxo e entre esses dois parâmetros está a cor verde, que se refere às perdas dos equipamentos do sistema, como por exemplo o inversor.
A Tabela 7 mostra primeiramente a irradiância horizontal global (GlobHor) e a irradiância horizontal difusa (DiffHor), conforme a geolocalização inserida no software, ambas medidas em kWh/m2, ou seja, para cada m2 temos X Kwh produzidos. Ainda referente à Tabela 7, temos a incidência global no plano do sensor (GlobInc) e temos a incidência efetiva absorvida pelos sensores (GlobEff) e por fim, o quociente de desempenho do sistema (PR).
Análise da simulação com módulos fotovoltaicos com angulação de 21°N
Outra informação importante apresentada na Tabela 7 refere-se à energia injetada na rede (E_Grid), totalizando 416.154 MWh. A Figura 38 mostra a mudança de orientação realizada no PVsyst para a simulação, com uma perda de 0,5% em relação à incidência ótima e global nos planos do módulo de 1849 kWh/m2. A melhora também pode ser observada na tabela 8, onde a energia injetada na rede no ângulo de 21°N, no mês de junho, é de 28.599 MWh, mostrando um aumento de 32,8% na geração em relação à simulação anterior.
A energia injetada na rede de acordo com a Tabela 8 é de 445.502 MWh/ano, o que mostra uma melhoria de 7% em relação à simulação anterior, com um ângulo de 0°.
Análise da simulação com módulos fotovoltaicos com angulação de 27°N
A Figura 41 mostra o gráfico de perdas para diversos fatores do sistema e também a energia útil produzida durante um ano na região. Nota-se que as duas primeiras colunas das três tabelas apresentadas ao longo das simulações possuem.
Comparação de geração entre as simulações de orientação fixa
Análise de uma simulação com tracker
Potencial de geração fotovoltaica na UHE Itá
Após analisar as configurações possíveis neste trabalho, a tecnologia UFF se mostra promissora, principalmente para países como o Brasil, que utiliza principalmente usinas hidrelétricas para geração de energia. A crise hídrica afetou muito a produção de energia elétrica no Brasil, o UFF reduz a evaporação dos rios à medida que cobrem a superfície da água. Uma comparação entre outros softwares de geração de energia solar também é recomendada para ter uma melhor estimativa da produção de energia local.
Outra sugestão para trabalhos futuros seria uma comparação entre a produção anual de energia da UHE Itá, com aquela obtida no estudo que mostra os pontos altos e baixos tanto da UHE Itá quanto de um sistema flutuante instalado em seu corpo d'água. Características das condições ambientais do reservatório da UHE Sobradinho no contexto da geração fotovoltaica flutuante.
