UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO PRÓ-REITORIA DE GRADUAÇÃO CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS CURSO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA

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UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO PRÓ-REITORIA DE GRADUAÇÃO

CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS CURSO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA

ELAINE PRISCILA FONTES DA SILVA

ANÁLISE DA VIABILIDADE TÉCNICO-ECONOMICA DA IMPLEMENTAÇÃO DE UM SISTEMA DE MICROGERAÇÃO EÓLICO RESIDENCIAL NA CIDADE DE

MOSSORÓ - RN

MOSSORÓ 2019

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ANÁLISE DA VIABILIDADE TECNOECONOMICA DA IMPLEMENTAÇÃO DE UM SISTEMA DE MICROGERAÇÃO EÓLICO RESIDENCIAL NA CIDADE DE

MOSSORÓ - RN

Monografia apresentada a Universidade Federal Rural do Semi-Árido como requisito para obtenção do título de Bacharel em Ciência e Tecnologia.

Orientador: Herick Talles Queiros Lemos, Prof. Me.

MOSSORÓ 2019

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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO

UNIVERSIDADE FEÇ>ERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO - UFERSA CENTRO DE CIENCIAS EXATAS E NATURAIS-CCEN

ATA DE DEFESA DE TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO

Às

J.4 :

Q

s

horas do dia dezenove de março de dois mil e dezenove, no Laboratório de Energia Renováveis - Lenerg do Campus Leste da Universidade Federal Rural do Sem

i-Árido - UFERSA, reuniu-se a Banca Examinadora de defesa do trabalho de conclusão de curso de autoria da aluna Elaine Priscila Fontes da Silva, aluna do curso de Bacharelado Interdisciplinar em Ciência e Tecnologia desta universidade, Nº de matrícula 2018020156, com o título "Análise da viabilidade técnico-econômica da implementação de um

sistema de microgeração eólico residencial na cidade de Mossoró-RN". A Banca

Examinadora ficou assim constituída por três membros: Prof. Me. Herick Talles Queiroz Lemos, presidente da banca e orientador do Trabalho de Conclusão de Curso; Prof. Dr.

Adriano Aron Freitas de Moura e Prof. Dr. Victor de Paula Brandão Aguiar como membros.

Concluída a defesa, procedeu-se o julgamento pelos membros da banca examinadora, tendo a aluna obtido as seguintes notas:

8,

O

;

J.i)_; _jQ__.

Apuradas as notas verificou

-se que a aluna foi

APtRfJVl+,J)A-

com média geral ~,

O

.

E para constar, eu, Herick

Talles Queiroz Lemos, lavrei a presente ata que, após lida e aprovada pelos membros da banca examinadora, será assinada por todos.

Mossoró, 14 de março de 2019.

Assinatura dos membros da Banca Examinadora.

Prof. Me. Herick Talles ~iro~~ mos - UFERSA P esidente e orientador

no Aron Freitas de Mour -Primeiro Membro

-~~~

-PrÔt.Õr.Victor de ~ ão Aguiar - UFERSA

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responsabilidade do (a) autor (a), sendo o mesmo, passível de sanções administrativas ou penais, caso sejam infringidas as leis que regulamentam a Propriedade Intelectual, respectivamente, Patentes: Lei n° 9.279/1996 e Direitos Autorais: Lei n°

9.610/1998. O conteúdo desta obra tomar-se-á de domínio público após a data de defesa e homologação da sua respectiva ata. A mesma poderá servir de base literária para novas pesquisas, desde que a obra e seu (a) respectivo (a) autor (a) sejam devidamente citados e mencionados os seus créditos bibliográficos.

O serviço de Geração Automática de Ficha Catalográfica para Trabalhos de Conclusão de Curso (TCC´s) foi desenvolvido pelo Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação da Universidade de São Paulo (USP) e gentilmente cedido para o Sistema de Bibliotecas da Universidade Federal Rural do Semi-Árido (SISBI-UFERSA), sendo customizado pela Superintendência de Tecnologia da Informação e Comunicação (SUTIC) sob orientação dos bibliotecários da instituição para ser adaptado às necessidades dos alunos dos Cursos de Graduação e Programas de Pós-Graduação da Universidade.

S586a SILVA, Elaine Priscila Fontes.

Análise da Viabilidade Tecnoeconomica da Implantação de um Sistema de Microgeração Eólico Residencial na Cidade de Mossoró - RN / Elaine Priscila Fontes SILVA. - 2019.

37 f. : il.

Orientador: Herick Talles Queiros Lemos Lemos. Monografia (graduação) - Universidade Federal Rural do Semi-árido, Curso de Ciência e

Tecnologia, 2019.

1. Energia Eólica. 2. Geração Distribuída. 3. Aerogerador de Pequeno Porte. I. Lemos, Herick Talles Queiros Lemos, orient. II. Título.

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ANÁLISE DA VIABILIDADE TECNOECONOMICA DA IMPLEMENTAÇÃO DE UM SISTEMA DE MICROGERAÇÃO EÓLICO RESIDENCIAL NA CIDADE DE

MOSSORÓ - RN

Monografia apresentada a Universidade Federal Rural do Semi-Árido como requisito para obtenção do título de Bacharel em Ciência e Tecnologia.

Defendida em: _____ / _____ / 2 __________.

BANCA EXAMINADORA

_________________________________________ Herick Talles Queiros Lemos, Prof. Me. (UFERSA)

Presidente

_________________________________________ Adriano Aron Freitas de Moura, Prof. Dr. (UFERSA)

Membro Examinador

_________________________________________ Victor de Paula Brandão Aguiar, Prof. Dr. (UFERSA)

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AGRADECIMENTOS

Inicialmente, agradeço a Deus por me permitir concluir mais uma etapa dessa jornada. A minha família pelo apoio diário, em especial meu pai Edival Cajé da Silva e minha mãe Geisa Maria Fontes da silva por me darem a oportunidade de estar nessa universidade. A esta universidade e ao corpo docente que tem feito toda a diferença nesse processo de aprendizado nem só profissional, mas para a vida. Agradeço também ao meu orientador Herick Talles Queiros Lemos pela disponibilidade de acompanhar este trabalho, dando suporte e contribuindo de forma considerável para que o mesmo obtenha êxito. Aos meus amigos fica uma palavra de gratidão e de companheirismo, incentivos e das alegrias vividas diariamente com a convivência de todos ao meu redor.

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RESUMO

A energia elétrica é um dos elementos básicos para o desenvolvimento econômico e social. Devido ao desenvolvimento e consequentemente aumento de sua demanda, novos estudos e investimentos têm sido realizados a fim de expandir e diversificar a matriz de geração de energia elétrica. Nesse contexto, as fontes renováveis surgem como uma das possíveis alternativas para atender essa carência no setor. A integração de fontes renováveis na geração de eletricidade a nível de distribuição teve como marco regulatório a Resolução nº 482 de 2012 da Agência Nacional de Energia Elétrica – ANEEL, e possibilitou que os próprios consumidores pudessem gerar sua própria energia e acumular créditos referente ao excedente de energia injetada na rede. Dentre as fontes renováveis disponíveis no Brasil, são destaques a energia solar e a energia eólica. Entre essas fontes, a energia solar é líder absoluta na geração própria em instalações residenciais, enquanto que a geração eólica empregada em grandes empreendimentos conectados aos sistemas de transmissão. Neste trabalho, buscou-se avaliar a viabilidade técnico-econômica de implantação de um micro gerador eólico em uma residência localizada no município de Mossoró, Rio Grande do Norte. No estudo de viabilidade avaliou-se o potencial de geração eólica por meio da estatística de Weibull e utilizou-avaliou-se a turbina eólica AIR 40, que possui 20 anos de vida útil segundo seu fabricante. Ao final do estudo, verificou-se uma geração anual de 1642,8 kWh, produzindo uma economia anual de R$ 388,09. Além disso, verificou-se um retorno de investimento de 13 anos e 6 meses considerando apenas o custo da turbina eólica.

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Gráfico de evolução da capacidade instalada ...17

Figura 2 – Modelo de um moinho de vento persa...19

Figura 3 – Princípio da conversão cinética do vento em energia elétrica...21

Figura 4 – Extração da energia do vento por uma turbina eólica...22

Figura 5 – Rotor horizontal...24

Figura 6 – Rotor savonius...25

Figura 7 – Rotor ddarrieus...25

Figura 8 – Rotor H-Darrieus...26

Figura 9 – Formação dos ventos devido ao deslocamento das massas de ar...26

Figura 10 Horas que o vento sopra para cada faixa de velocidade...27

Figura 11 – Sistema de compensação de energia elétrica...27

Figura 12 – Local de instalação do microgerador eólico...35

Figura 13 – Aerogerador AIR 40...35

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LISTA DE GRÁFICOS

Gráfico 1 – Matriz de energia elétrica do Brasil...…….…..……..20

Gráfico 2 – Potência em relação ao vento do microgerador AIR 40 gerado no Excel...34

Gráfico 3 – Densidade de probabilidade de Weibull...34

Gráfico 4 – Total de horas que o vento sopra a uma determinada velocidade...35

Gráfico 5 – Curva de potência do Aerogerador Air 40...37

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Quadro de cargas da residência...………...31 Tabela 2 – Controle de consumo e geração...38

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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ONS Operador Nacional de Sistema Elétrico GWEC Global World Energy Council

GIG Banco de Informações de Geração

CRESESB Centro de Referência de Energia Solar e Energia Eólica Sérgio de Salvo Brito ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica

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SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ... 16

1.1 Objetivos...18

1.1.2 Objetivos específico...18

2 REFERÊNCIAL TEÓRICO...19

2.1 Histórico do aproveitamento da energia dos ventos...19

2.2 Aerodinâmica das turbinas eólicas...21

2.2.1 Tipos de turbinas eólicas...23

2.3 Estatística do vento...26

2.4 Geração distribuída...28

3 ESTUDO DE CASO...31

3.1 Apresentação do quadro de cargas e dados da residência...31

3.2 Levantamento do potencial eólico...32

3.3 Modelo de aerogerador utilizado...35

3.4 Cálculo de energia gerada pelo aerogerador ...37

3.5 Resultados ...37

4 CONSIDERAÇÕES FINAIS ...40

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1. INTRODUÇÃO

Ao se falar em produção e consumo de energia, tem-se um fato ambientalmente impactante. A preocupação com a redução de emissão de gases poluentes na atmosfera tem levado o mundo a buscar cada vez mais o desenvolvimento de fontes de geração de energia limpa. Temos a energia elétrica como um dos insumos básicos essenciais para o desenvolvimento econômico e social, juntamente com outros fatores como transporte, telecomunicações, água e saneamento que juntos compõem a infraestrutura necessária para introduzir o ser humano no chamado modelo de desenvolvimento. No entanto, segundo (LOPES, 2012), 35% da população mundial não tem qualquer acesso à eletricidade. Nesse contexto os temas energéticos ganharam maiores proporções em grau de importância de maneira que se caminhe na busca de um desenvolvimento sustentável.

De acordo com (LOPES, 2012) a era moderna viabilizou o uso do carvão, do petróleo e do gás, de forma que os avanços do último século estão ligados, de alguma forma, às transformações e ao poder derivado dos combustíveis fósseis. Vivemos em constante desenvolvimento no setor industrial mundial, ocorrendo assim um aumento na utilização de equipamentos elétricos que são utilizados em diversas atividades humanas, o que acarretou um acréscimo significativo na demanda por energia elétrica nas últimas décadas. A quantidade de energia per capita consumida numa sociedade é um bom índice de seu estado relativo de progresso (LOPES, 2012). Só que esse aumento na demanda não foi seguido na mesma intensidade por investimentos na geração de energia para suprir essa carência no setor, o que pode ter vindo a provocar alguns problemas energéticos em alguns países.

As fontes de energia renováveis surgem como uma das possíveis soluções que buscam atender essa carência de geração que ocorre graças ao rápido crescimento do consumo mundial. Os padrões atuais que utilizamos estão sendo modificados à medida que ocorrem incentivos ao uso mais eficiente da energia, principalmente ocorrendo uma transição de fontes de energia fósseis para fontes renováveis. Diante da preocupação acerca da emissão de gases e do aumento tanto dos preços como do consumo dos combustíveis fósseis, surgiu a necessidade de se procurar fontes energéticas renováveis, como a solar, a eólica, a biomassa, entre outras, que pudessem auxiliar a suprir a crescente demanda energética.

No caso do Brasil, a discussão sobre aderir às políticas energéticas surgiu a partir de interesses ambientais, bem como pela busca da diversificação da matriz no país, onde vem incentivando a geração de energia elétrica baseada em fontes renováveis, tanto para a conexão nos sistemas de transmissão e distribuição de grandes parques de geração, com destaque para a

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energia eólica, como para as microgeração e minigeração distribuídas interligadas ao sistema de distribuição, descreve (PINTO, 2013). Segundo o Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS) o sistema de produção e transmissão de energia elétrica do Brasil é um sistema hidro-termo-eólico de grande porte, onde se tem o uso de usinas hidroelétricas, termoelétricas e eólica, tendo com predominância de usinas hidroelétricas.

Com a publicação da Resolução Normativa n° 482 em abril de 2012 pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), fontes renováveis como solar e eólica puderam ser integradas à rede de distribuição por meio de centrais geradores instaladas em unidades consumidoras. Além disso, também foi instituído nesta norma o sistema de compensação de energia elétrica, o qual permite que o consumidor brasileiro acumule créditos de energia correspondentes à energia injetada na rede de distribuição.

O sistema de compensação instituído pela REN 482 e outros incentivos fiscais foram responsáveis por um grande aumento na capacidade instalada de várias fontes renováveis. No caso da energia eólica, de acordo com a Associação Brasileira de energia Eólica (ABEEÓLICA, 2019), o Brasil passou por uma grande evolução em sua capacidade instalada nos últimos anos, fazendo com que a energia eólica seja a terceira fonte mais representativa na matriz elétrica brasileira e Brasil ocupe o 8º lugar no ranking mundial de capacidade instalada em energia eólica. A Figura 1 ilustra a evolução dessa fonte e as perspectivas de crescimento até 2024.

Figura 1: Gráfico de evolução da capacidade instalada

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Com base nesses fatos e diante de maiores incentivos por parte do governo, a fonte eólica ganha uma enorme importância como fonte na geração distribuída. Nesse contexto, será apresentado neste trabalho um estudo de viabilidade técnico-econômica de um aerogerador de pequeno porte em uma residência na cidade de Mossoró/RN.

1.1 Objetivos

1.1.1 Objetivo geral

Avaliar a viabilidade técnico-econômica de instalação de um aerogerador comercial de pequeno porte em uma residência na cidade de Mossoró/RN.

1.1.2 Objetivos específicos

• Compreender os fundamentos da geração de eletricidade a partir da energia eólica.

• Estimar o potencial de geração eólico na localidade da residência por meio da estatística de Weibull.

• Estimar a energia gerada por meio do aerogerador AIR 40;

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2. REFERENCIAL TEÓRICO

2.1 Histórico do aproveitamento da energia dos ventos

Não se tem registro comprobatório da origem exata de um dispositivo identificado como eólico. Alguns historiadores acreditam que os primeiros moinhos de ventos construídos para realizar trabalho, foram construídos na China há 2000 anos, porém não há registros de sua existência, (PINTO, 2013). As primeiras menções ao uso da energia do vento têm origem no Oriente: Índia, Tibete, Afeganistão e Pérsia. O primeiro registro histórico da utilização da energia eólica para bombeamento de água e moagem de grãos através de cata-ventos é proveniente da Pérsia (atual Irã), por volta de 200 a.c. (LOPES,2012). Esse tipo de moinho como mostrado na Figura 2 se espalhou pelo mundo, sendo utilizado ainda por muitos séculos. Eles foram de grande importância na utilização das necessidades básicas como bombeamento d’água ou moagem de grãos, mesmo tendo baixa eficiência pelas suas características.

Figura 2: Modelo de um moinho de vento persa

Fonte: (PINTO, 2013).

Na Europa os registros de moinhos de ventos estão datados por volta de 1105 na França, data essa, justamente no período em que ocorriam as cruzadas, onde os conquistadores europeus da Palestina conheceram os moinhos no oriente médio e importavam a tecnologia para a França, (PINTO, 2013). O mesmo pode ser citado para a Inglaterra. Até o século XIX, todos os moinhos de vento produziam somente energia mecânica. Nesse tempo com o surgimento da eletricidade logo os engenheiros perceberam que era possível os moinhos serem usados como geradores de eletricidade. O primeiro moinho de vento para gerar eletricidade foi construído em julho de

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1887 na cidade de Glasgow na Escócia pelo engenheiro James Blyth (PINTO, 2013). A máquina tinha 10 m de altura e eixo vertical e foi instalada em sua própria casa, onde se tornou a primeira casa do mundo a ter sua eletricidade fornecida por energia eólica. Posteriormente seu invento foi seguido por novas turbinas de moinhos de vento que surgiram na Holanda, em 1890.

Poul La Couer marcou a transição entre os moinhos de vento e a moderna tecnologia de geração eólica, sendo um dos pioneiros na geração de eletricidade. A princípio ele usou a corrente contínua gerada pela turbina para eletrólise e armazenou o hidrogênio então produzido, nesse contexto sendo utilizado em lâmpadas de gás para iluminação. Somente em 1951 que chegou a turbina de Lykkegard que operou de 1951 a 1961 através de um cabo em CA, consagrando o avanço das máquinas eólicas. De certa forma a Segunda Guerra Mundial também contribui para que se chegasse a esse avanço, pois, os países buscavam economizar combustíveis fósseis decorrente do aumento de preço ocorrendo assim um interesse maior para que as turbinas de vento gerassem energia.

O uso comercial da energia eólica para geração de energia começou na Dinamarca por volta de 1980, (PINTO, 2013). Ao mesmo tempo os Estados Unidos também acompanhavam essa evolução. No Brasil essa tecnologia foi muito bem empregada devido ao seu alto potencial eólico oferecido, ocupando hoje o oitavo lugar no ranking mundial com mais de 14,8GW de capacidade instalada de acordo com o levantamento feito pelo Global World Energy Council (GWEC). Segundo informações do Banco de Informações de Geração (BIG), a energia eólica ocupa a terceira posição na matriz energética do Brasil como mostra o gráfico abaixo.

Gráfico 1: Matriz de energia elétrica no Brasil

Fonte: Adaptado (BIG, 2019).

PCH: Pequenas Centrais Hidroelétricas

60,2 24,7 9,03 3,16 _1,26 _1,22 0 10 20 30 40 50 60 70

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2.2 Aerodinâmica das turbinas eólicas

As turbinas eólicas são usadas para converter a energia do vento em energia elétrica. Essa conversão acontece em duas etapas como pode ser observado na Figura 3. A primeira ocorre na turbina, que remove parte da energia cinética do vento e a converte em energia mecânica. E a segunda ocorre do gerador elétrico, que converte em energia elétrica a energia mecânica disponibilizada pela turbina.

Figura 3: Princípio da conversão da energia cinética do vento em energia elétrica

As condições de funcionamento da turbina dependem principalmente das condições de vento ao qual a turbina está submetida. Ao extrair energia da potência do vento de forma mecânica, essa energia é transmitida ao eixo da turbina. Nesse momento, o eixo sofre a aplicação de um torque que rotaciona o rotor do gerador elétrico. Segundo (PINTO, 2013), ao transmitir a potência, o torque gerado no eixo pode ser calculado pela seguinte equação:

𝑇 = 𝑃𝑒𝑥𝑡

𝜔_𝑡 (1)

Onde:

𝑃_𝑒𝑥𝑡 – é potência mecânica aplicada no eixo da turbina em 𝑊; 𝜔_𝑡– é velocidade angular tangencial em 𝑟𝑎𝑑/𝑠.

A potência 𝑃_𝑒𝑥𝑡 da Equação (1) pode ser determinada pela seguinte equação:

𝑃_𝑒𝑥𝑝 =1

2𝐶𝑝 𝜌 𝐴𝑣

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Onde:

𝐶𝑝 – coeficiente de potência da turbina;

𝜌 – densidade do ar em 𝑘𝑔/𝑚3;

𝐴 – área de captação da turbina em 𝑚2; 𝑣 – velocidade do vento em 𝑚/𝑠.

O coeficiente de potência da turbina é definido como sendo a razão entre a potência extraída pelo rotor e a potência disponibilizada pelo vento. Matematicamente, esse parâmetro pode ser determinado pela seguinte equação:

𝐶_𝑝 =1

2(1 + 𝜆)(1 − 𝜆

2₎ ₍₃₎

Onde 𝜆 é a razão entre a velocidade da corrente de vento posterior (𝑉_𝑠) e anterior (𝑉) ao rotor. A Figura 4 ilustra essas velocidades.

Figura 4 Extração da energia do vento por uma turbina eólica.

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23 𝜕𝐶𝑝 𝜕𝜆 = 1 2(1 − 2𝜆 − 3𝜆 3_{) = 0}

Solucionando-se a Equação 3 para 𝜆 obtém-se que o valor ótimo de 1/3. A substituição desse valor na Equação 3 resulta em:

𝐶_𝑝 = ⌈(1 2) (1 + 1 3) (1 − ( 1 3) 2 )⌉ 𝐶_𝑝 = 16 27 = 0,5925 = 59,3%

Esse resultado é conhecido como Limite de Betz, e indica que o limite teórico de extração de energia do vento é de aproximadamente 60%.

2.2.1 Tipos de turbinas eólicas

As principais tecnologias de aerogeradores são as turbinas eixo horizontal e de eixo vertical. Os modelos de eixo horizontal possuem geralmente maior eficiência e são mais comuns no mercado. Porém, sistemas eólicos com eixo vertical têm a vantagem de serem menos barulhentos e de integrarem-se melhor com as edificações. A superioridade dos modelos de eixo horizontal que vem desde os moinhos de vento europeus se deve as seguintes características:

• Possuem um controle do ângulo das pás não deixando que o aerogerador ultrapasse as velocidades permitidas;

• O formato das pás pode ser melhor otimizado aerodinamicamente; • Lidera as tecnologias no setor.

As principais vantagens dos modelos de eixo horizontal são: • Acesso a ventos de maiores velocidades devido sua altura; • Melhor controle devido ao ajuste do ângulo de passo; • Alta eficiência de captação.

Como desvantagens dos de eixo horizontal destacam-se:

• Dificuldade na sua instalação devido a elevadas alturas de instalação dos equipamentos;

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• Dificuldade para o transporte dos equipamentos, principalmente as pás do rotor em função de seus comprimentos;

• Exige um sistema de controle para girar as pás em direção ao vento; • Exige a construção de uma torre para elevação das pás.

A Figura 5 ilustra um aerogerador de eixo horizontal com rotor em hélice tripá (modelo mais comum). No caso de modelos de pequeno porte para aplicações residenciais não existe controle ativo das pás ou mecanismos de frenagem do eixo interno, tornando-os mais ruidoso que outros tipos de aerogeradores e inadequados para locais com ventos turbulentos.

Figura 5: Rotor horizontal.

Fonte: Guia de Microgeradores Eólicos (2014).

No caso das turbinas eólicas de eixo vertical, existe uma grande variedade de modelos de rotores. A seguir são apresentados os principais modelos de rotores para turbinas de eixo vertical.

• Rotor Savonius: é um tipo rotor que possui duas pás onduladas, em formato de “S”, como mostrado na Figura 6. Ele começa a gerar energia com pouco vento e suporta melhor ventos mais turbulentos. É muito silencioso e ideal para áreas urbanas, porém esse modelo possui baixa eficiência.

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Figura 6: Rotor Savonius.

• Rotor Darrieus: é tipos de rotor com pás arqueadas como mostrado na Figura 7. Esse tipo de rotor pode ser aplicado para níveis de potência maiores que o rotor de Savonius, e também é aplicável em áreas urbanas. Em aplicações de maior potência verifica-se maior nível de ruído e a necessidade de um sistema de aceleração inicial, o que o torna mais caro em relação aos demais.

Figura 7: Rotor Darrieus.

• Rotor H-Darrieus: é um tipo de rotor com pás verticais posicionadas em paralelo como apresentado na figura 8. Esse modelo é mais eficiente do que o tipo Darrieus.

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Figura 8: Rotor H-Darrieus.

2.3 Estatística do vento

O combustível do sistema de energia eólica é o vento, movimento do ar na atmosfera terrestre (LOPES, 2012). Esse movimento do ar na atmosfera é gerado principalmente nas regiões próximas à linha do equador e pelo resfriamento nas regiões próximas aos polos, como observa-se na Figura 9.

Figura 9: Formação dos ventos devido ao deslocamento das massas de ar.

Fonte: Centro de Referência de Energia Solar e Energia Eólica Sérgio de Salvo Brito CRESESB.

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Dessa forma o ar frio que circula nos polos se move em direção ao Equador para substituir o ar quente tropical, que por sua vez, também se desloca para os polos. Os ventos que sopram em escala global e aqueles que se manifestam em pequena escala são influenciados por diferentes aspectos, entre os quais destacam-se a altura, a rugosidade, os obstáculos e o relevo. As regiões tropicais são as mais beneficiadas, pois recebem os raios solares quase que perpendiculares, tornando-as assim mais aquecidas do que as regiões polares.

Dessa forma o ar quente que se encontra nas regiões tropicais tende a subir das baixas altitudes sendo substituído pelas massas de ar frio que chegam das regiões polares, onde o deslocamento dessas massas forma o vento. Este que por sua vez tem natureza estocástica, ou seja, seu estado é indeterminado, com origem em eventos aleatórios, possuindo uma variação constante tanto na sua direção quando na velocidade. Em função dessa característica, o estudo e avaliação do potencial eólico em uma determinada região é feito a partir de medições da velocidade do vento durante longos períodos de tempo. Dessas medições, são elaborados gráficos que relacionam um determinado intervalo de velocidades com sua frequência de ocorrência durante o período de medição. A Figura 10 ilustra esse tipo de representação dos dados.

Figura 10: Quantidade de horas que o vento se mantém em cada faixa de velocidade.

Uma alternativa à utilização da distribuição de frequência é a utilização de funções matemáticas que apresentam as características da distribuição de frequências. Essas funções são denominadas funções de densidade de probabilidades (FDPs) e podem ser utilizadas para

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estimar a probabilidade de ocorrência de uma determinada velocidade de vento. Uma das FDPs mais utilizadas nos estudos de potencial eólico é a função de densidade de probabilidade de Weibull, dada pela Equação 4.

𝑓(𝑣) = (𝑘 𝑐) ( 𝑣 𝑐) 𝑘−1 𝑒−( 𝑣 𝑐) 𝑘 (4)

𝑓(𝑣) – probabilidade de ocorrência da velocidade 𝑣; 𝑣 − velocidade do vento em 𝑚/𝑠;

𝑘 − fator de forma em 𝑚/𝑠; 𝑐 − fator de escala (adimensional).

Os fatores de forma e de escala são obtidos a partir de métodos numéricos aplicados utilizando o banco de dados das medições.

2.4 Geração distribuída

A geração distribuída se caracteriza por receber instalações de geradores de pequeno porte que costumam ser de fontes renováveis ou até mesmo de combustíveis fósseis localizados próximos aos centros de consumo de energia elétrica. Essa proximidade dos geradores às cargas se deve aos benefícios propostos, que vão desde impacto ambiental, redução nos custos de distribuição e transmissão, melhoria do nível de tensão da rede no período de carga pesada e a diversificação da matriz energética.

De acordo com a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL, 2016), esse feito ocorre desde abril de 2012, onde através da Resolução Normativa – REN n°482/2012 se deu as condições gerais para que fosse possível o acesso de micro e minigeração distribuída aos sistemas de distribuição de energia elétrica e juntamente criou o sistema de compensação de energia elétrica correspondente. Esse sistema de compensação possibilita que o consumidor além de gerar sua própria energia elétrica a partir de fontes renováveis possa acumular créditos de energia proporcionais ao excedente de energia injetado na rede de distribuição de sua localidade. Em posse de créditos acumulados, nos momentos em que a central não gerar energia suficiente para abastecer a unidade consumidora, a rede da distribuidora local suprirá a diferença e abater na fatura do consumidor o valor em reais equivalente aos créditos acumulados. A Figura 11 ilustra o intercâmbio de energia de uma unidade consumidora com geração própria enquadrada no sistema de compensação.

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Figura 11: Sistema de compensação de energia elétrica

Fonte: (ANEEL, 2016).

Os créditos acumulados pelo consumidor podem ser usados para abater o consumo em outro posto tarifário e ficam disponíveis para utilização num período de até 60 meses. O sistema de compensação também fornece a possibilidade do consumidor utilizar esses créditos em outras unidades previamente cadastradas dentro da mesma área de concessão e caracterizada como autoconsumo remoto, geração compartilhada ou integrante de empreendimentos de múltiplas unidades consumidores (por exemplo, condomínios).

Para os consumidores conectados em baixa tensão (Grupo B), mesmo que a energia gerada seja superior ao consumo, o mínimo valor a ser pago pela fatura de energia corresponde ao valor em reais equivalente do custo de disponibilidade, que é de 30 kWh (ligação monofásica), 50 kWh (ligação bifásica) e 100 kWh (ligação trifásica). Para clientes do grupo tarifário A (alta tensão), o mínimo valor devido corresponde à demanda contratada.

Em 2015 houve uma atualização da REN 482 pela ANEEL a fim de aumentar o público alvo e melhorar as informações da fatura. Dentro da geração distribuída, as centrais geradoras podem ser classificadas como microgeração ou minigeração. A microgeração distribuída é caracterizada por uma central geradora de energia elétrica com potência instalada menor ou igual a 75 kW ou que utilize cogeração qualificada, conforme é regulamentada pela ANEEL, ou fontes renováveis de energia elétrica conectada na rede de distribuição por meio de instalações de unidades consumidoras. Já a minigeração distribuída é uma central geradora de energia elétrica com potência instalada superior a 75 kW e menor ou igual a 3 MW para fontes hídricas ou menor ou igual a 5 MW para cogeração qualificada, conforme regulamentação da

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ANEEL, ou para as demais fontes renováveis de energia que são conectadas na rede de distribuição por meio de instalações de unidades consumidoras.

Além do impacto na matriz elétrica, a geração distribuída, em larga escala, contribui com mais alguns benefícios ao sistema elétrico: possibilidade de redução das perdas, pois há uma redução no carregamento das linhas de transmissão e distribuição; postergação de investimentos em centrais elétricas convencionais, visto que parte da demanda tende a ser atendida pela geração distribuída; e a inserção de novas fontes na matriz energética, que aumenta a segurança energética do sistema e diminui o risco de racionamento.

Em contrapartida, a geração distribuída apresenta algumas desvantagens, tais como: o aumento da complexidade de operação da rede; a dificuldade na cobrança pelo uso do sistema elétrico; a eventual incidência de tributos; e a necessidade de alteração dos procedimentos das distribuidoras para operar, controlar e proteger suas redes.

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3. ESTUDO DE CASO

O trabalho em questão visa demonstrar a viabilidade técnico-econômica de um microgerador eólico empregado em uma residência na cidade de Mossoró/RN, de forma a apresentar sua viabilidade como uma fonte alternativa na geração de eletricidade em residências nessa localidade.

3.1 Apresentação do quadro de cargas e dados da residência

A residência escolhida para a análise é residida por duas pessoas e possui o quadro de cargas apresentado na Tabela 1.

Tabela 1: Quadro de cargas da residência.

Aparelhos Quantidade Potência (W) Pot. Total (W) Geladeira 1 85 85 Liquidificador 1 350 350 Microondas 1 1200 1200 Tanquinho 1 80 80 Sanduicheira 1 640 640 Carreg. Celular 2 66 132 Notebook 1 25 25 Ventilador 1 55 55 TV 1 49 49 Ferro de Passar 1 1000 1000 Secad. Cabelo 1 1200 1200 Prancha 1 35 35 Ar-condicionado 2 815 1630 Lâmpadas 8 30 240 TOTAL 6721

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A instalação possui ligação monofásica e se enquadra no grupo tarifário B1 residencial, com custo de disponibilidade de 30kWh. Neste caso, mesmo que a geração do microgerador supere o consumo, o cliente ainda deverá pagar o equivalente em reais do custo de disponibilidade.

Para avaliação do balanço e viabilidade de instalação do aerogerador, foi utilizado o histórico de consumo da residência no ano de 2018. A Tabela 2 apresenta esses dados.

Tabela 2: Consumo anual da residência

Mês/ Ano Consumo (kWh) Janeiro 103,46 Feveiro 99,46 Março 87,46 Abril 95,46 Maio 92,46 Junho 97,46 Julho 107,46 Agosto 96,46 Setembro 93,46 Outubro 103,46 Novembro 92,46 Dezembro 100,46 TOTAL 1169,52

Fonte: Autoria própria.

3.2 Levantamento do potencial eólico

O levantamento do potencial eólico teve início com a identificação das coordenadas geográficas da instalação com a ajuda do Google Earth. Com auxílio da ferramenta, foram obtidas as coordenadas 3°12’42” S e 37°19’33” O. A Figura 12 o ponto exato da instalação.

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Figura 12: Local de instalação do microgerador eólico

Fonte: (GOOGLE EARTH, 2019).

De posse das coordenadas do local, foi utilizado o site do CRESESB para obtenção dos fatores de escala e de forma anuais da estatística de Weibull para 50 metros de altura. Para a localidade da residência, foram obtidos os valores de 5,56 fator o fator de escala, 2,3 para o fator de forma e 4,93 m/s para a velocidade média anual.

A partir da curva de potência do microgerador utilizado, é possível visualizar quais velocidades serão necessárias para o seu funcionamento e consequentemente verificar se o mesmo será satisfatório para o projeto.

Com base nos dados estatísticos obtidos no site do CRESESB, pode-se elaborar a função densidade de probabilidade de Weibull para caracterizar a velocidade do vento no ponto da instalação. O Gráfico 2 a seguir mostra os resultados obtidos a partir a função de densidade de probabilidade de Weibull.

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Gráfico 2: Densidade de probabilidade de Weibull

Para avaliação da frequência em horas da distribuição de velocidades do vento utilizou-se a Equação 5, onde 8765 é a quantidade de horas no ano.

ℎ(𝑣) = 𝑓(𝑣) 8765 (5)

O Gráfico 3 a seguir apresenta a distribuição de frequência em horas por ano para a faixa de velocidades de 0 a 26 m/s.

Gráfico 3: Distribuição de frequência em horas por ano.

Fonte: Autoria própria. 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 0 3 4 5 6 7 8 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 23 24 25 26 26 Pro b ab ili d ad e Velocidade (m/s) 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0 3 4 5 6 7 8 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 23 24 25 26 26 H o ra s/An o Velocidade (m/s)

Título do Gráfico

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Com esses resultados foi possível determinar o potencial eólico oferecido na localidade de instalação do microgerador eólico e avaliar a capacidade de geração do modelo de aerogerador eólico utilizado.

3.3 Modelo do aerogerador utilizado

Para realizar a simulação desse projeto foi utilizado o aerogerador de pequeno porte modelo AIR 40 apresentado na Figura 13.

Figura 13: Aerogerador AIR 40.

Fonte: site ENERGIA PURA.

O modelo escolhido possui as seguintes especificações: • Diâmetro do rotor: 1.17m;

• Peso: 6 kg;

• Vento para início de geração: 3.13 m/s • Potência nominal: 160 W a 12,5 m/s

• Voltagem nominal: 12V, 24V e 48V (selecionado de fábrica)

• Controlador da turbina: Microprocessador regulador interno inteligente • Corpo: Alumínio reforçado de altíssima qualidade

• Hélices: Plástico

• Proteção de sobrecarga: Controle eletrônico de torque • Quilowatt horas/mês: 38 kWh/mês a 5.4 m/s

• Vento limite: 49.2 m/s (177 km/h)

• Manutenção: Não requer, livre de manutenções. • Valor de mercado: R$ 5.300,00.

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A Figura 14 a presenta a curva de potência do microgerador escolhido. Nesta figura verifica-se que o AIR 40 inicia sua geração em aproximadamente 3 m/s.

Figura 14: Curva de potência do Aerogerador AIR 40.

Fonte: (ENERGIA PURA, 2019).

Para estimar a potência e energia produzida pelo gerador para diferentes velocidades, utilizou-se o site apps.automeris.io para extrair o total de 105 pontos da curva de potência fornecida pelo fabricante. O Gráfico 4 a seguir apresenta os resultados para os pontos coletados.

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Gráfico 4: Curva de potência do Aerogerador Air 40

Fonte Autoria própria.

3.4 Cálculo da energia gerada pelo aerogerador

Para estimar a geração anual de energia do aerogerador, utilizou-se a Equação 6 para os 105 pontos obtidos do Gráfico 4.

𝐸_{𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙} = ∑ ℎ(𝑣) 𝑃(𝑣) (6)

O valor mensal de geração foi estimando dividindo-se o resultado da Equação 6 por 12 meses.

3.5 Resultados

Ao final do estudo foi verificada uma geração anual de 1642,4 kWh, que corresponde a uma geração mensal 136,8 kWh. A partir desses resultados, utilizou-se as faturas mensais de energia da residência para avaliação do balanço de energia mensal, custos com e sem geração distribuída e economia anual. A Tabela 2 apresenta esses resultados.

0 50 100 150 200 250 300 0 3 4 5 6 7 8 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 23 24 25 26 26 Po tên cia (W) Velocidade (m/s)

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Tabela 2: Controle de consumo e geração.

Mês/ Ano Consumo (kWh) Tarifa (R$/kWh) Gerado (kWh) Crédito acumulado (kWh) Fatura sem o gerador (R$) Fatura com o gerador (R$) Economia (R$) jan/18 103,46 0,435 136,87 33,41 45,0051 13,05 31,9551 fev/18 99,46 0,434 136,87 70,82 43,16564 13,02 30,14564 mar/18 87,46 0,434 136,87 120,23 37,95764 13,02 24,93764 abr/18 95,46 0,437 136,87 161,64 41,71602 13,11 28,60602 mai/18 92,46 0,483 136,87 206,05 44,65818 14,49 30,16818 jun/18 97,46 0,505 136,87 245,46 49,2173 15,15 34,0673 jul/18 107,46 0,514 136,87 274,87 55,23444 15,42 39,81444 ago/18 96,46 0,518 136,87 315,28 49,96628 15,54 34,42628 set/18 93,46 0,515 136,87 358,69 48,1319 15,45 32,6819 out/18 103,46 0,507 136,87 392,1 52,45422 15,21 37,24422 nov/18 92,46 0,503 136,87 436,51 46,50738 15,09 31,41738 dez/18 100,46 0,457 136,87 472,92 45,91022 13,71 32,20022 TOTAL 1169,52 - 1642,477 472,92 559,92432 172,26 387,6643

A partir do Gráfico 5 abaixo é possível notar a diferença das faturas antes e depois da utilização do aerogerador com a geração distribuída.

Gráfico 5: Fatura sem e com geração distribuída

Fonte: Autoria própria. 0 10 20 30 40 50 60 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Fat u ra em R$ Meses

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Como observado na Tabela 2, em todos os meses a geração foi superior ao consumo, restando créditos que podem ser utilizados em até 60 meses. O preço final da fatura nos meses com excesso de geração corresponde ao equivalente em reais do custo de disponibilidade (30 kWh). Verifica-se ainda que, levando em conta o custo do aerogerador utilizado (R$ 5.300,00) e a economia anual fornecida, o projeto possui um retorno de investimento de aproximadamente 13 anos e 6 meses, o que comprova a viabilidade de instalação do aerogerador no longo prazo. Além disso, tomando-se como base as estatísticas do fabricante, o aerogerador tem vida útil de 20 anos, o que deve produzir um lucro de aproximadamente R$ 2.519,82 desconsiderando reajustes no preço por kWh.

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4 CONSIDERAÇÕES FINAIS

A inserção de fontes renováveis na geração distribuída é uma realidade frequente atualmente. Neste trabalho avaliou-se a viabilidade técnico-econômica de um microgerador eólico em uma residência na cidade de Mossoró/RN. No estudo, foi feito a análise do potencial eólico presente na localidade da residência a partir da função densidade de probabilidade de Weibull e estimado o desempenho do modelo de aerogerador comercial de pequeno porte AIR 40.

No estudo, verificou-se que o modelo de microgerador eólico utilizado, apresentou uma geração média anual de 1642,4 kWh, o que corresponde a uma média mensal de 136,8 kWh. Verificou-se ainda que a geração mensal foi superior ao consumo mensal da residência durante todos os meses do ano, resultando em um acúmulo de créditos de 472,92 kWh ao final de um ano. Além disso, foi constatado que o retorno do investimento para a instalação do projeto é de cerca de 13 anos e 6 meses, com um lucro de R$ 2.519,82 considerando seu período de vida útil do aerogerador (20 anos).

Por fim, conclui-se que a geração eólica é uma opção viável para a microgeração distribuída residencial e apresenta vantagens em relação ao sistema solar fotovoltaico, tais como a possibilidade de gerar energia durante todo o dia desde que a velocidade do vento seja superior a velocidade de partida do aerogerador, enquanto que a geração fotovoltaica só ocorre no período diurno.

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REFERÊNCIAS

ABEÓLICA. Associação Brasileira de Energia Eólica. 2019. Disponível em:

<http://abeeolica.org.br/noticias/gwec-divulga-estatisticas-2018-de-energia-eolica-nas-americas/>. Acessado em: 14 fev. 2019.

APPS.AUTOMERIS.IO. Gráficos. 2019. Disponível em: <https://apps.automeris.io/wpd/>. Acessado em 22 fev. 2019.

BANCO DE INFORMAÇÕES DE GERAÇÃO. Histórico. 2019. Disponível em:

<http://www2.aneel.gov.br/aplicacoes/capacidadebrasil/capacidadebrasil.cfm>. acessado em 05 fev. 2019.

ENERGIA PURA. Modelo AIR 40. São Paulo, 2019. Disponível em:

<https://www.energiapura.com/todos-os-produtos/>. Acessado em: 14 fev. 2019. GOOGLE EARTH. Mapas. 2019. Disponível em: <https://www.google.com.br/intl/pt-BR/earth/>. Acessado em: 14 fev. 2019.

IDEAL. Instituto para o Desenvolvimento de Energias Alternativas na América Latina. Guia de Microgeradores Eólicos. São Paulo: 2014. Disponível em:

<http://institutoideal.org/guiaeolica/>. Acessado em: 05 mar. 2019.

LOPES, Ricardo Aldabó. Energia eólica. 2°. Ed. São Paulo: Artliber Editora, 2012.

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