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ANÁLISE DE SISTEMA INTEGRADO FOTOVOLTÁICO-EÓLICO NA GERAÇÃO
DESCENTRALIZADA DE ELETRICIDADE PARA ÁREAS RURAIS ISOLADAS.
Luiz Antonio Rossi
Universidade Estadual de Campinas – Faculdade de Engenharia Agrícola
Área de Construções Rurais e Ambiência
Cidade Universitária “Zeferino Vaz” – Distrito de Barão Geraldo
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Resumo: Neste trabalho, é apresentada uma metodologia para, através da simulação em computador, serem realizados estudos visando a geração descentralizada de energia elétrica utilizando-se de painéis fotovoltáicos e geradores eólicos. Ela atende ao planejamento descentralizado e ao suprimento energético de localidades situadas em áreas isoladas, pequenas comunidades rurais, propriedades agrícolas, etc.. Várias análises técnicas podem ser efetuadas, as quais consideram as variáveis mais significativas de cada uma das fontes, objetivando o dimensionamento do sistema. Uma característica fundamental do modelo de simulação é considerar a variabilidade e a disponibilidade dos recursos numa base horária. Desta forma, situações e condições muito próximas daquelas que realmente ocorreriam podem ser simuladas. Com o algoritmo de cálculo empregado, podem ser determinadas, dentre outras, as seguintes quantidades: fator de capacidade, fator de utilização, potência instalada, energia anual gerada e a probabilidade de déficit. Um exemplo de atendimento a uma demanda específica é dado. Pelos resultados foram comprovadas as características e versatilidade intrínsecas ao modelo de simulação.
I. INTRODUÇÃO E REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Nos países subdesenvolvidos e em desenvolvimento, devido às enormes disparidades econômicas e sociais e às dimensões geográficas destes países, o suprimento energético ao meio rural tem sido um constante desafio [5-7].
Especificamente no Brasil, perto de 70% das propriedades agrícolas não recebe energia elétrica da rede pública [8].
A crescente demanda reprimida do setor rural, as dificuldades do setor elétrico, as pressões
políticas e sociais exigem, na busca de soluções, o engajamento de outros setores (privado) e outros agentes (prefeituras, sindicatos, cooperativas, entidades de ensino e pesquisa e proprietários) no desenvolvimento de alternativas energéticas para o campo [9].
Diante do exposto e nos relatos, tanto de estudos de casos feitos por [11,12] e [2], quanto de métodos de análise expostos por [3,4] e [10,13], nota-se que são imprescindíveis a intensificação dos estudos no sentido da exploração das potencialidades dos recursos endógenos e o estabelecimento de metodologias que identifiquem o melhor e mais adequado sistema de suprimento de energia [1]. Esta forma de ação complementaria os programas de expansão da eletrificação rural por linhas de transmissão
No caso deste trabalho, o enfoque foi dirigido à elaboração de metodologia para auxiliar os estudos técnicos do planejamento da geração de energia e létrica. É proposto um modelo de simulação de operação de um sistema híbrido que utiliza painéis fotovoltáicos e aerogeradores para gerar energia elétrica.
Uma de suas principais características é que ele leva em consideração a variabilidade e a disponibil idade dos recursos numa base horária, permitindo, assim, simular o sistema em condições muito próximas daquelas que realmente ocorrem.
II. MATERIAL E MÉTODOS
A análise da demanda e do suprimento energético nos setores rural e agrícola, com especial referência à energia renovável, gerou o conceito de sistemas integrados de geração de energia. Dentre estes, o sistema híbrido. Ele é definido como uma combinação de fontes energéticas convencionais e renováveis
dimensionadas para atender os requisitos de energia daqueles setores.
A integração dos recursos radiação solar e vento é feita através da eletricidade por eles gerada e armazenada em baterias eletroquímicas.
Após, a energia pode ser usada nas formas DC, diretamente, ou AC, com o auxílio de um sistema de condicionamento de potência. A figura 1 ilustra esta integração. Controle de condicionamento de potência Baterias Condicionamento de potência Radiação Solar Painéis Fotovoltáicos Gerador e Interface mecânica Sistema de conversão eólico - elétrica Vento
Figura 1. Integração dos Recursos Solar e Vento.
Quando a análise envolve sistemas integrados que usam recursos renováveis, em função de suas características intrínsecas: variabilidade, baixa densidade energética, localização específica, etc., existe uma certa complexidade em se dimensionar e analisar tais sistemas. Assim, por causa desta não constância na ocorrência e nas quantidades, é necessário o emprego de modelos que simulem o desempenho e o comportamento daqueles sistemas.
O modelo de simulação opera numa base
horária, isto é os dados relativos à radiação solar, à velocidade do vento, à demanda e os resultados, em t ermos das energias envolvidas, são todos para cada hora do dia. Os parâmetros relevante para o sistema híbrido são aqueles mostrados nas figuras 2 e 3, respectivamente, para o arranjo fotovoltáico e para o eólico.
Figura 3. Características da fonte eólica.
A velocidade horária do vento constitui-se em dado de entrada e é baseada na média mensal do local. Um outro parâmetro importante é a radiação solar incidente, a qual permite estimar a energia disponível no local. Esta radiação é calculada
através de metodologia citada e usada em [10] Conforme ilustra a figura 4 a seguir, são necessárias as radiações solares mensais no plano horizontal.
Figura 4. Entrada de dados de radiação solar.
Com isto, o programa computacional determina a radiação efetiva que incide no plano do painel com a inclinação desejada. Isto porque são determinados, para cada dia do ano, o fotoperíodo, a hora do nascer do sol e a hora do pôr-do-sol. Aqui, considera-se apenas a opção painel fixo(sem rastreamento solar), pois esta caracteriza -se como a configuração com menor custo de instalação.
Do lado da carga, faz-se o mesmo com a demanda. Ou seja, dados horários da potência solicitada pela carga são necessários. A figura 5, acima, ilustra a introdução destes dados. Nota-se que os valores horários podem ser repetidos para um dia e/ou para um mês e armazenados num arquivo de dados com a extensão ∴.CFG.
O algoritmo de cálculo empregado baseia-se em equações e conceitos descritos em Rossi, 1995. Com ele é possível determinar, entre outras, as seguintes quantidades: fator de capacidade do sistema eólico-fotovoltáico, a potência instalada, as energias disponível e utilizada pela carga, o fator de utilização do sistema e a probabilidade de déficit.
O modelo opera em computadores do tipo PC, padrão IBM, com sistema operacional MS.DOS.6.0 ou superior. Todos os programas do modelo foram escritos em linguagem C++, em ambiente Windows.
III. RESULTADOS E DISCUSSÃO As operações e comandos, que aparecem na tela do computador, a serem realizados pelo operador ou usuário obedecem a seqüência: seleção e configuração do sistema de geração, entrada de dados das fontes solar e eólica e da demanda, realização da simulação e obtenção dos resultados.
O usuário introduz os parâmetros do sistema eólico-fotovoltáico e o programa esquematiza e
simula a operação do sistema. Todos os resultados são mostrados na tela do computador ou armazenados em arquivos com a extensão
∴.OUT.
Com o modelo de simulação desenvolvido, um exemplo de um sistema atendendo uma determinada demanda horária foi realizado. Especificamente, analisa-se aqui o efeito da sazonalidade. Esta é caracterizada pela variabilidade nas quantidades de energia e potência produzidas por sistemas de geração, no período de tempo analisado, quando existem restrições, respectivamente, de disponibilidade do recurso primário e de potência instalada.
No caso de recursos renováveis esta variabilidade ocorre em função do caráter altamente aleatório dos fluxos naturais destes recursos. Este fato confere às fontes renováveis uma elasticidade operativa muito baixa.
Portanto, através do estudo do efeito da sazonalidade, um sistema de geração de energia pode suprir os picos de demanda e as quantidades de energia de forma mais adequada, evitando, assim, o superdimensionamento das instalações e/ou do sistema de armazenamento.
O modelo de simulação desenvolvido permite que se efetue este tipo de estudo, pois proporciona ao usuário a opção de escolher, dentro do período de um ano, tanto a data de início quanto o número de dias do intervalo de estudo desejado.
0 caso apresentado a seguir procura mostrar, de maneira simples, como é feito o suprimento não só da demanda máxima, mas também da energia horária quando há falta do recurso e/ou de potência instalada.
Utilizando-se arquivos de dados do programa, simulou-se o sistema eólico-fotovoltáico atendendo uma carga, cujo consumo diário é 133,5 kWh e demanda máxima de 15 KW, durante o período de dois dias. 0s resultados de algumas variáveis estão dados nas tabelas 1, 2, e 3.
Tabela 1 - Valores horários das grandezas das fontes – 1o dia de simulação
DATA: 01/01 FONTE EÓLICA FONTE FOTOVOLTÁICA
Hora Demanda (KW)
EGAE (kWh) EGACE (kWh) Demanda Restante (KW) EGAS (kWh) EGACS (kWh) 1 2,25 4,95 2,25 0,00 0,00 0,00 2 2,25 9,71 4,50 0,00 0,00 0,00 3 2,25 14,47 6,75 0,00 0,00 0,00 4 2,25 19,05 9,00 0,00 0,00 0,00 5 4,35 23,63 13,35 0,00 0,00 0,00 6 7,50 27,86 17,58 3,27 0,06 0,06 7 7,50 32,08 21,80 3,27 1,20 1,20 8 4,35 36,66 26,15 0,00 3,60 1,20 9 3,60 41,24 29,75 0,00 7,29 1,20 10 3,60 45,82 33,35 0,00 12,10 1,20 11 4,35 50,40 37,70 0,00 17,67 1,20 12 6,00 54,97 42,28 1,42 23,51 2,62 13 4,35 59,55 46,63 0,00 29,07 2,62 14 4,35 64,13 50,98 0,00 33,88 2,62 15 3,60 68,71 54,58 0,00 37,57 2,62 16 4,35 72,94 58,81 0,12 39,97 2,74 17 6,00 77,16 63,03 1,77 41,11 3,88 18 10,50 81,92 67,80 5,74 41,17 3,94 19 11,25 86,69 72,56 6,49 41,17 3,94 20 15,00 92,44 78,31 9,25 41,17 3,94 21 11,25 98,19 84,06 5,50 41,17 3,94 22 6,00 103,73 89,60 0,46 41,17 3,94 23 4,35 109,27 93,95 0,00 41,17 3,94 24 2,25 114,22 96,20 0,00 41,17 3,94
Tabela 2 - Valores horários das grandezas das fontes – 2o dia de simulação
DATA: 02/01 FONTE EÓLICA FONTE FOTOVOLTÁICA
Hora Demanda (KW)
EGAE (kWh) EGACE (kWh) Demanda Restante (KW) EGAS (kWh) EGACS (kWh) 1 2,25 119,17 98,45 0,00 41,17 3,94 2 2,25 123,93 100,70 0,00 41,17 3,94 3 2,25 128,69 102,95 0,00 41,17 3,94 4 2,25 133,27 105,20 0,00 41,17 3,94 5 4,35 137,85 109,55 0,00 41,17 3,94 6 7,50 142,08 113,78 3,27 41,24 4,01 7 7,50 146,30 118,00 3,27 42,37 5,14 8 4,35 150,88 122,35 0,00 44,78 5,14 9 3,60 155,46 125,95 0,00 48,47 5,14 10 3,60 160,04 129,55 0,00 53,28 5,14 11 4,35 164,62 133,90 0,00 58,84 5,14 12 6,00 169,20 138,48 1,42 64,68 6,57 13 4,35 173,77 142,83 0,00 70,25 6,57 14 4,35 178,35 147,18 0,00 75,06 6,57 15 3,60 182,93 150,78 0,00 78,75 6,57 16 4,35 187,16 155,01 0,12 81,15 6,69 17 6,00 191,38 159,24 1,77 82,29 7,83 18 10,50 196,15 164,00 5,74 82,35 7,89 19 11,25 200,91 168,76 6,49 82,35 7,89 20 15,00 206,66 174,51 9,25 82,35 7,89 21 11,25 212,41 180,26 5,50 82,35 7,89 22 6,00 217,95 185,80 0,46 82,35 7,89 23 4,35 223,49 190,15 0,00 82,35 7,89 24 2,25 228,44 192,40 0,00 82,35 7,89
Tabela 3 - Valores horários das grandezas gerais – 1o e 2o dia de simulação
DATA: 01/01 DADOS GERAIS DATA: 02/01 DADOS GERAIS
Hora EPEA (kWh) EGAC (kWh) DÉFICT (kWh) CB (%) Hora EPEA (kWh) EGAC (kWh) DÉFICT (kWh) CB (%) 1 0,00 4,95 0,00 83,86 1 33,41 159,92 0,00 67,41 2 0,00 9,71 0,00 87,44 2 33,41 164,68 0,00 70,99 3 0,00 14,47 0,00 91,03 3 33,41 169,44 0,00 74,58 4 0,00 19,05 0,00 94,36 4 33,41 174,02 0,00 77,91 5 0,00 23,63 0,00 94,68 5 33,41 178,60 0,00 78,24 6 0,00 31,13 0,00 90,10 6 33,41 186,10 0,00 73,65 7 0,00 38,63 0,00 87,05 7 33,41 193,60 0,00 70,60 8 0,00 45,61 0,00 90,80 8 33,41 200,58 0,00 74,35 9 0,00 53,88 0,00 97,47 9 33,41 208,85 0,00 81,02 10 5,42 57,48 0,00 98,00 10 33,41 218,24 0,00 89,29 11 11,21 61,83 0,00 98,00 11 33,41 228,38 0,00 97,57 12 15,63 67,83 0,00 98,00 12 37,53 234,68 0,00 98,00 13 21,43 72,18 0,00 98,00 13 43,32 239,03 0,00 98,00 14 26,46 76,53 0,00 98,00 14 48,36 243,38 0,00 98,00 15 31,13 80,13 0,00 98,00 15 53,03 246,98 0,00 98,00 16 33,41 84,48 0,00 98,00 16 55,31 251,33 0,00 98,00 17 33,41 90,48 0,00 97,09 17 55,31 257,33 0,00 97,09 18 33,41 100,98 0,00 88,98 18 55,31 267,83 0,00 88,98 19 33,41 112,23 0,00 79,71 19 55,31 279,08 0,00 79,71 20 33,41 127,23 0,00 66,50 20 55,31 294,08 0,00 66,50 21 33,41 138,48 0,00 58,64 21 55,31 305,33 0,00 58,64 22 33,41 144,48 0,00 57,69 22 55,31 311,33 0,00 57,99 23 33,41 150,02 0,00 59,69 23 55,31 316,88 0,00 59,69 24 33,41 154,97 0,00 63,55 24 55,31 321,83 0,00 63,55
Pela coluna de EGAS (energia disponível da fonte fotovoltáica) das tabelas 1 e 2, vê-se que, nos intervalos da 1a à 5a hora e da 18a à 24a hora, os painéis fotovoltáicos não geram energia por ausência de radiação solar, o que era de se esperar. Quem o faz e atendendo toda demanda horária e carregando a bateria é a fonte eólica. Isto é mostrado pelos valores horários de EGACE (energia gerada pela fonte eólica para atender a carga) e CB (condição de armazenamento da bateria coletiva).
Por outro lado, pode-se notar que, por exemplo da 6a até a 7a hora, a carga recebeu energia tanto das fontes eólica e solar quanto da bateria. E mais, a partir da 10a até 16a hora, que a energia gerada pelo sistema híbrido foi em quantidade tal que, além de atender a carga (EGAC) e carregar o conjunto de baterias totalmente (CB), uma parcela (coluna de EPEA na tabela 3) foi perdida, ou seja, não utilizada.
Outro detalhe importante é evidenciado pela condição de armazenamento do conjunto de
baterias (coluna CB da tabela 3). Isto é, quando do início da operação (1a hora do dia 01/01, tabela 1), por suposição, o conjunto de baterias estava com 80% (carga inicial) de sua capacidade máxima, no caso 70 kWh; já ao final do 1o dia e início do 2o dia, estava com, praticamente, 62% daquela capacidade e, ao final do 2o dia, estava com os mesmos 62% de capacidade, voltando a se carregar totalmente até a 12a hora do 2o dia. Isto mostra que o conjunto de baterias está dimensionado para atender as solicitações da demanda.
Portanto, mantida esta tendência e lembrando que a carga deixa de ser atendida pela bateria quando esta atinge o valor mínimo de 20% da capacidade máxima (por razões de segurança), percebe-se, pela coluna de Déficit, que não ocorrerá déficit de energia.
Com a finalidade de ilustrar a descrição deste caso, usando-se os valores horários de algumas variáveis das tabelas 1, 2 e 3, o gráfico I foi traçado.
Gráfico I - Variação da energia gerada pelo sistema eólico-fotovoltáico
Pelas razões acima expostas, observa-se que é de suma importância não só o estudo da sazonalidade, mas também a consideração da complementaridade das fontes que utilizam recursos renováveis. Esta pode se dar ou por outra destas fontes ou por uma fonte convencional.
Nota-se que, através da análise das variáveis mais significativas das fontes solar e eólica, é possível efetuar-se a análise técnica do sistema e, a partir desta, a análise econômica. Com isto, pode-se decidir pelo sistema que melhor atenda as necessidades da carga. Também, pode-se efetuar os cálculos para a variação de outros parâmetros do sistema.
O modelo desenvolvido é uma ferramenta simples, porém referencial e valiosa, para auxiliar no planejamento e projeto de pequenos sistemas eólico-fotovoltáicos utilizados para geração de eletricidade.
IV. CONCLUSÕES
Um procedimento para efetuar-se estudos visando a geração descentralizada de energia elétrica, através de pequenos sistemas
eólico-fotovoltáicos, foi desenvolvido e implementado por meio de um modelo computacional próprio e original. Este incorpora programas que determinam os parâmetros das fontes, da carga e o esquema operativo da metodologia.
Análises técnicas e de sensibilidade, de diversas grandezas e em intervalos de tempo característicos (estações do ano, período seco e úmido, etc.), podem ser efetuadas num processo totalmente iterativo.
O modelo fornece soluções e resultados muito próximos daqueles que ocorreriam no sistema real, já que trabalha numa base horária e são necessários dados coletados (de prefe rência, em estudos preliminares) do próprio local.
Através da observação e análise dos resultados da simulação da operação do sistema, é possível a alteração de parâmetros que pode conduzir a um redimensionamento do sistema. Assim, a metodologia permite ao usuário tomar decisões e fazer avaliações rápidas e de modo iterativo.
Pelas características estruturais impostas ao modelo de simulação, das quais resultaram flexibilidade e potencialidades intrínsecas, conclui-se que o desenvolvimento deste modelo vai de encontro às necessidades dos que, de uma
0 2 4 6 8 10 12 14 16 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Hora kW
Demanda EGAE EGAS
forma ou de outra, atuam na área de geração de energia com o uso de pequenos sistemas eólicos-fotovoltáicos.
V. BIBLIOGRAFIA
[1] K.A Abade, J.G.S Moreira e M.W. Fagá,, “O Potencial Fotovoltáico no Brasil e os Preços no Mercado Internacional”, In: II Congresso de Planejamento Energético, Campinas-SP, Brasil, 1994, pp. 298-302.
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[12] Jorge G. Vera, “Options for Rural Electrification in México” , IEEE Transactions on Energy Conversion, USA, Vol. 3: 1992, pp. 426-433.
[13] Evandro R. Carvalho, Francisco. W. G. Almeida e Paulo. M. A. Craveiro, “Energia Eólica: Uma Alternativa Real”, Editora da COELCE, Fortaleza, CE, 1992, pp. 38.
VI. AUTOR
Luiz Antonio Rossi, Doutor em Engenharia Elétrica pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo-EPUSP. Desde 1986 é Professor do Departamento de Construções Rurais e Ambiência da Faculdade de Engenharia Agrícola da Universidade Estadual de Campinas-FEAGRI-UNICAMP, onde atua na área de Energização Rural: rossi@agr.unicamp.br
