Dimensionamento de um sistema fotovoltaico para uma
residência isolada situada em Ibiza - Espanha
Artur Rech da Rosa
1, Miguel Centeno Brito², Bruna de Bittencourt³
1Bolsista do CNPq - Brasil/ Universidade de Lisboa (arturrechdarosa@yahoo.com.br) 2
Faculdade de Ciências/Universidade de Lisboa (mcbrito@fc.ul.pt)
³Centro de Ciências Exatas e Tecnologia/Universidade de Caxias do Sul (bbitte@ucs.br)
Resumo
Devido ao contínuo aumento dos preços dos derivados do petróleo e com a maior preocupação ambiental da sociedade, há uma crescente procura por outras formas de se obter energia. As energias renováveis possuem grande foco neste contexto, pois unem a satisfação da demanda energética com a sustentabilidade ambiental e a possibilidade de levar energia a locais isolados. Este estudo apresenta o dimensionamento simplificado de um sistema fotovoltaico, para uma residência isolada da rede de abastecimento de energia elétrica, situada na ilha de Ibiza, Espanha. Utilizou-se o software de livre acesso, PVGis, para estimar os dados de irradiação do local, sendo o mês de menor índice o de dezembro, com apenas 3,13 kWh/m² para um ângulo de 39°. Através do auxílio de expressões matemáticas foram dimensionados o número de módulos fotovoltaicos, o sistema de baterias, o inversor e o controlador de carga, e o diâmetro dos cabos de transmissão de energia para suprir a demanda desta residência. Obteve-se 16 módulos de 195 W utilizando uma área de 23,52 m². Ainda, serão apresentados os possíveis equipamentos que podem ser empregados neste sistema, levando em consideração sua adequação ao sistema ideal proposto e demonstrando suas principais especificações técnicas.
Palavras-chave: Energias Renováveis. Energia Fotovoltaica. Dimensionamento de Sistema Fotovoltaico Simplificado.
Área Temática: Energia e energias renováveis.
Sizing of a photovoltaic system for an isolated residence
situated in Ibiza - Spain
Abstract
Due to the continuous rise in prices of petroleum products and the biggest environmental concerns of society, there is a growing demand for other ways to get energy. Renewable energy have great focus in this context, since it join the satisfaction of energy demand with environmental sustainability and the possibility of provide energy to isolated locations. This study presents the sizing of a simplified photovoltaic system for a residence that is isolated from the network supply of electricity, in the island of Ibiza, Spain. The free access software, PVGis, is been used to estimate the data irradiation site, being the month of December the lowest index, with only 3.13 kWh/m² for an angle of 39°. Through the aid of mathematical expressions were sized the number of photovoltaic modules, the battery system, inverter and charge controller, and the diameter of cables for power transmission to supply the demand of the residence. The number of modules obtained was 16 modules with 195 W each occupying an area of 23.52 m². Still, the possible devices that can be employed in this system are presented in this paper, taking into consideration its suitability to the proposed ideal system and demonstrating their main specs.
Key words: Renewable Energy. Photovoltaic Energy. Simplified Sizing of Photovoltaic System.
1
Introdução
Devido ao ininterrupto crescimento dos preços dos derivados do petróleo e com o aumento da preocupação ambiental, há uma maior procura, no mundo e principalmente na Europa, por outras fontes de energia, com ênfase nas renováveis. Segundo a International Solar Energy Society – ISES (2005), a energia renovável não possui um fim em si mesmo, é uma forma de fornecer serviços de energia de um modo socialmente e ambientalmente sustentável, pelo menor custo de ciclo de vida.
A sustentabilidade ambiental trata da utilização do meio ambiente, dando oportunidade a ele de se regenerar, ou encontrando meios de substituir a ocupação ambiental por meios renováveis. Segundo Rampazzo (2001), a aceleração do crescimento econômico, como preocupação central da vida social, com as devidas preocupações em relação aos impactos socioambientais, conduziria a patamares menos elevados de degradação ambiental. Ainda segundo Rampazzo, a aceleração do crescimento econômico deve se submeter às imposições do meio ambiente, pois não é possível basear o crescimento econômico na utilização extensiva dos recursos naturais.
Dessa forma, a energia fotovoltaica tem se apresentado como uma alavanca para o crescimento das fontes renováveis na Europa, visto que é uma opção mais limpa para a produção de energia disponível comercialmente hoje, e com baixo impacto ambiental. A exploração da energia fotovoltaica tem como principal meta vencer um triplo desafio: a satisfação das demandas energéticas, reduzir a dependência dos combustíveis fósseis, e consequente, reduzir as emissões de gases de efeito estufa (GEE).
Este estudo tem como objetivo, apresentar o dimensionamento de um sistema fotovoltaico simplificado para uma residência situada na ilha de Ibiza, Espanha, a 39°1’14” Norte, 1°24'15" Leste, com elevação de 246 m e isolada da rede de abastecimento elétrico. Foram utilizados valores de equipamentos reais, não levando em conta os seus custos.
2
Dimensionamento
Para o dimensionamento desta residência foi utilizado o ângulo de localização da cidade de 39°, sendo este ângulo o mesmo do telhado desta, mantendo assim a estética da casa. Segundo os dados do software livre PVGis (2012), foi possível obter os valores médios de irradiação mensal que chega ao local, assim como a irradiação média diária, como pode ser observada na Tabela 1.
Tabela 1 - Irradiação mensal e diária
Mês Irradiação diária (kWh/m²) Irradiação mensal (kWh/m²) Janeiro 3,46 107 Fevereiro 4,21 118 Março 5,09 158 Abril 5,56 167 Maio 5,94 184 Junho 6,16 185 Julho 6,32 196 Agosto 6,18 192 Setembro 5,71 171 Outubro 4,98 154 Novembro 3,56 107 Dezembro 3,13 97,0
Através da Tabela 1, pode-se observar que o mês de menor irradiação é o de dezembro, com somente 3,13 kWh/m² de irradiação diária e 97,0 kWh/m² de irradiação mensal, visto que se trata do início do solstício de inverno no hemisfério norte. O mês de maior irradiação foi o de julho com 6,32 kWh/m² diária e 196 kWh/m² mensal.
A demanda energética da residência é estabelecida através de um estudo dos equipamentos, que consomem energia e a quantidade de vezes que são utilizados na casa num mesmo dia. A Tabela 2 apresenta estes valores.
Tabela 2 - Valores de gasto energético para1 dia
Equipamento Potência (W) Utilização (h/dia) Carga diária
(kWh/dia) 4 lâmpadas 20 3 0,24 Geladeira 120 10 1,20 Congelador 120 10 1,20 Ferro de engomar 1050 1 1,05 TV 60 4 0,24
Máquina de lavar 2,2 kWh/ciclo 2 vezes/semana 0,6286 Máquina da louça 1,9 kWh/ciclo 1 vez/dia 1,90
Total 6,46
Fonte: Os Autores (2012)
Com o valor total de carga energética para um dia, apresentado na Tabela 2, e assumindo os valores típicos de eficiências energéticas (µ) do inversor, controlador de carga, cabo e das baterias, caso estes não sejam apresentados nos folhetos de dados dos equipamentos, de 95%, 95%, 95% e 80%, respectivamente (BRITO, 2012). Obtém-se, através da Fórmula 1, o real valor necessário de energia diária, também chamada de a potência fotovoltaica (Ppv).
(1)
A potência fotovoltaica é de 9,36 kWh/d. Com o valor de Ppv e o valor de irradiação do pior dia do pior mês, apresentado na Tabela 1, obtemos a Potência de Pico (Ppeak), que é calculada através da Fórmula 2.
(2) O valor de Ppeak é igual a 2,99 kWp; este valor será muito utilizado para determinação de outros parâmetros, sendo assim, um dos valores mais importantes do dimensionamento, pois trata-se do valor de energia que obtemos (em condições menos favoráveis de irradiação) em relação a necessidade de consumo da residência.
3
Dimensionamento dos módulos fotovoltaicos
Para o dimensionamento dos módulos fotovoltaicos é necessário que se observe folhetos de dados de diferentes módulos, até encontrar um que se adapte ao seu dimensionamento. Para este dimensionamento será utilizado o módulo ET-P654195 da empresa ET SOLAR GROUP. Na Figura 1 são apresentados os principais dados deste módulo, que serão utilizados para o dimensionamento dos módulos.
Figura 1 – Folheto de dados de módulo fotovoltaico
Fonte: Adaptado pelos Autores a partir de ET SOLAR GROUP (2012)
Assume-se um valor de tensão dos módulos (Vdc) de 48 V, pois se trata de um número múltiplo de 12, que é o valor de tensão máxima que as baterias suportam, onde elas serão ligadas em série e em paralelo para que os valores de tensão e corrente condigam com os dimensionados. Através da Fórmula 3, e do valor de tensão máxima (Vmp), retirado da Figura 1, obtém-se o número de módulos que devem ser dispostos em série (NS) para satisfazer os 48 V.
(3)
O número de módulos é de 1,78 módulos, sendo considerado 2 módulos, pois não é possível fracioná-los.
Para o dimensionamento do número de módulos em paralelo (NP), através da Fórmula 4, foi utilizado o valor de potência máxima (Pmáx) dos módulos de 195 W, retirado da Figura 1.
(4)
Com esses dados relacionados, obtém-se o valor de 7,67 módulos por série, adota-se 8 módulos, ou seja, 8 módulos em paralelo por cada série.
Então o número total de módulos no sistema para satisfazer a necessidade diária da residência, se dá pela multiplicação NS por NP, sendo assim, uma quantidade de 16 módulos.
A área total do sistema será de 23,52 m², empregados no telhado da residência, visto que cada módulo possui uma área de 1,47 m², sendo este valor o que consta na Figura 1.
4
Dimensionamento do sistema de baterias
Para o dimensionamento das baterias utilizou-se uma quantidade de armazenamento necessário de até 3 dias, pois como trata-se de uma cidade com grande número de dias ensolarados e poucos com núvens e chuva, este valor está apropriado como parâmetro. Foi utilizada uma bateria do tipo estacionária EN 200 da marca AJAX ENERGY, onde seu folheto de dados é apresentado na Figura 2.
Através da Figura 2, utiliza-se um valor de possibilidade de descarga da bateria de apenas 50%, assegurando-se de que o tempo útil das baterias, aumenta para cerca de 1050 ciclos, sendo considerado um ciclo por dia, tem-se, assim, 3 anos de utilização das mesmas. Não havendo a necessidade de trocá-las com tanta frequência, como ocorreria com descargas maiores.
Figura 2 – Folheto de dados de uma bateria
Fonte: Adaptado pelos Autores a partir de Ajax Energy (2012)
Para o cálculo da carga das baterias (CB) foi utilizada a Fórmula 5, onde são necessárias a quantidade de 3 dias de armazenamento (n), o valor de carga total diária, a eficiência típica dos cabos (µcabo) de 95%, que conectarão as baterias ao inversor e controlador, a tensão dos módulos (Vdc), e a possibilidade de descarga (depth) de 50%.
(
)
(5) Através da Fórmula 5, obtém-se uma carga das baterias de 767,13 Ah. Sendo necessárias 16 baterias de 200 Ah e 12 V, onde serão dispostas em 4 associações em paralelo de 4 baterias em série, satisfazendo, assim, as necessidades da residência.
5
Dimensionamento do inversor e do controlador de carga
Os valores necessários para a determinação do tipo de inversor e controlador de carga, mais adequados para o dimensionamento, são a tensão de entrada (Vin) e a tensão de saída (Vout). Para este dimensionamento, será considerado para Vin e Vout o mesmo valor da tensão dos módulos (Vdc = 48 V), e a corrente de entrada (Iin) será calculada através da Fórmula 6.
( )
(6)
Para regiões que atingem facilmente temperaturas acima dos 30°C, como Ibiza, o valor da potência de pico (Ppeak) deve receber uma adição de 5% deste mesmo valor. Assim, o sistema é protegido de possíveis falhas devido à alta temperatura.
O valor encontrado, através da Fórmula 6, para Iin foi de 65,4 A.
Para se saber o valor da potência de saída (Pout), que é a potência utilizada na residência, é feito um estudo da frequência e da utilização dos equipamentos de forma concomitante. No caso deste dimensionamento, foi estabelecido que os equipamentos de lavar (lava louça e máquina de lavar) não são utilizados ao mesmo tempo, e que não se utiliza o ferro de engomar ao mesmo tempo em que a máquina de lavar. Então, segundo os valores da Tabela 1, e sendo os equipamentos utilizados concomitantemente: as lâmpadas, a geladeira, o congelador, a TV, e a máquina de lavar, encontra-se um valor de Pout de 2.820 W.
Outro parâmetro a ser considerado é a corrente de saída (Iout), que é o valor que chegará a residência, esse parâmetro é estabelecido através da Fórmula 7. Obtendo um resultando de 53,75 A.
(7)
Para estes resultados de corrente de entrada e saída, encontrou-se um inversor e um controlador de carga unidos, do tipo Sunny Island 5048 da marca SMA SOLAR TECHNOLOGY AG, que possui corrente de entrada de 21,7 A, sendo necessário utilizar três em paralelo, atingindo assim a necessidade dos 65,4 A do Iin dimensionado. Este conjunto de aparelhos funcionará com um deles comandando os outros em modo Master e os outros dois em modo de submissão, Slave, para que não haja conflito entre um e outro, podendo comprometer o funcionamento ideal do sistema.
6
Dimensionamento dos cabos
Os cabos, que conectam os equipamentos, são dimensionados assumindo uma distância entre os módulos solares em relação às baterias, sendo que quanto mais compridos, menor sua eficiência em transportar a energia gerada. Segundo esta premissa, assumiu-se o valor de 15 metros de comprimento, visto que, as placas estão no telhado e as baterias estão em uma sala naturalmente seca e arejada no solo, ao lado da casa. Com este comprimento dos cabos, assumiu-se uma perda de 3% (βcabo) na transmissão da energia. Assim, utilizou-se a Fórmula 8 para encontrar a área ideal dos cabos (S).
(8)
Através da Fórmula 8, encontrou-se uma área ideal do cabos de 12,16 mm² de seção, sendo o diâmetro de 3,93 mm. É válido ressaltar que quanto maior o diâmetro dos cabos maior será seu custo, e menores serão as perdas energéticas.
7
Conclusão
Em um dimensionamento de sistema off-grid, ou seja, isolado da rede de abastecimento de energia local, os valores calculados devem levar em consideração as necessidades de cada residência, tendo um grande cuidado para os hábitos das pessoas que viverão nela. Os valores devem ser primeiramente testados de uma forma ideal e teórica (com os cálculos baseando-se em valores ideais de tensão, corrente, potência, entre outros), e então verificados para valores existentes de módulos, inversores, baterias e cabos, que são encontrados nos folhetos de dados. A procura por um equipamento com valores próximos do dimensionado, pode levar certo tempo, mas obtém-se um dimensionamento mais viável, fiel e permite a proximidade da realidade.
A partir dessa premissa, a configuração do sistema, Figura 3, ficou sendo:
16 Módulos de Placas Solares, do tipo: ET – P654195 de 195 W e 27 V;
3 Inversores e Controladores de Carga unidos, do tipo: Sunny Island 5048;
16 Baterias, do tipo: EN200 de 200 Ah e 12 V; e,
Figura 3 – Disposição e distribuição do sistema fotovoltaico
Fonte: Adaptado pelos Autores a partir de ANEEL (2013)
Referências
AJAX ENERGY. Baterias. 2012. Disponível em:
<http://www.ajax.com.br/ajax/pt/index.php> Acesso em 20 de nov. de 2012.
ANEEL–Agência Nacional de Energia Elétrica. Energia Solar. Disponível em: < http://www .aneel.gov.br/aplicacoes/atlas/pdf/03-Energia_Solar(3).pdf>.Acesso em: 04 nov. 2013.
BRITO, Miguel Centeno. Projeções da disciplina de energia fotovoltaica. Lisboa, Portugal: Universidade de Lisboa – Faculdade de Ciências – Curso de Engenharia da Energia e do Ambiente, 2012. 11 p.
ET SOLAR GROUP. Células e módulos fotovoltaicos. 2012. Disponível em: <http://www.solardesigntool.com/components/module-panel-solar/ET-Solar-Group/130/ET-P654195/specification-data-sheet.html> Acesso em 19 de nov. de 2012.
INTERNATIONAL SOLAR ENERGY SOCIETY. O futuro das fontes renováveis de
energia para os países em desenvolvimento. Wiesentalstr, Alemanha, 2005. Disponível em:
<http://whitepaper.ises.org/ISES-WP-600-Portuguese-Developing.pdf> Acesso em 21 out 2013.
PVGis. Software livre para auxílio ao dimensionamento fotovoltaico na Europa. 2012. Disponível em: < http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/> Acesso em 05 de nov. de 2012.
RAMPAZZO, S. E. A questão ambiental no contexto do desenvolvimento econômico. In: BECKER, D. F. (Org.). Desenvolvimento sustentável: necessidade e/ou possibilidade? Santa Cruz do Sul: Edunisc, 2001, p. 157-188.
SMA SOLAR TCHNOLOGY AG. Soluções para plantas energéticas. 2012. Disponível em: <http://www.sma.de/en/products/off-grid-inverters/sunny-island-5048.html> Acesso em 20 de nov. de 2012.
