Analysis of Variables in Systems Hybrid Photovoltaic Wind in Rural Energization*

Analysis of Variables in Systems Hybrid

Photovoltaic Wind in Rural Energization*

L. R. A. Gabriel Filho, O. J. Seraphim, F. L. Caneppele, C. P. C. Gabriel and F. F. Putti

something of great importance in the face of conventional energy sources. Clean and renewable production systems is gaining incentive to search for pieces of institutions and the government, especially the sources like the sun and the wind. There are plenty of both sources throughout the Brazilian territory and its use becomes interesting to isolated regions due to lack of network installation that enables access to electricity. This study investigates the production of energy from a hybrid system composed of photovoltaic panels and a wind turbine. These systems are adequate to meet the energy needs of isolated areas due to the high cost of electrification places with low demand and difficult to access. The project was developed at the Center of Alternative Energy and Renewable - NEAR Rural Energizing Laboratory of the Department of UNESP Rural Engineering, Faculty Agricultural Sciences, Lageado Experimental Farm, located in Botucatu, São Paulo, Brazil, which was used three photovoltaic I-100 Isofoton with nominal power of 100Wp each, for a total installed 300Wp and a wind turbine AIR X-rural model SOUTHWEST WINDPOWER with nominal power of 400 W, which was obtained for a year energy production data using this system. In general, energy production ranged from 34.8 to 209 watts hybrid photovoltaic system and the wind. It was possible to observe the complementary mode of energy production systems analyzed, since the photovoltaic panels have higher yield during the day, while the wind turbine has energy production at night.

Keywords— Solar Energy, Wind Energy, Rural Energization. I. INTRODUÇÃO

BUSCA por fontes renováveis e de baixo custo para a produção de energia está aprimorando a forma de utilizar com maior eficiência a energia proveniente do sol, indispensável para a vida na Terra e que é fornecida através da radiação solar.

Devido à grande distância entre o Sol e a Terra, apenas uma pequena parte da radiação produzida atinge a superfície, esta radiação corresponde a uma quantidade de energia em torno de 1x1018 _{kWh/ano e desse total que atinge a terra,}

utilizamos apenas 0,01% para a produção de energia elétrica. Para serem empregadas na produção de energia, as células solares se associam eletricamente em diferentes combinações que permitem obter os valores da corrente e tensão necessárias para uma aplicação com fim determinado e são, para tanto, envoltas por materiais que as protegem dos efeitos causados pelo tempo [1].

Para o aproveitamento da energia do sol são utilizados a célula, o módulo e o gerador fotovoltaicos [2]. O módulo é formado por um conjunto de células, enquanto o gerador é constituído por vários módulos. Cabe ressaltar que faz parte também do módulo fotovoltaico, além do conjunto de células, as conexões, a proteção e o suporte do sistema fotovoltaico.

O efeito fotovoltaico (relatado pela primeira vez por

L. R. A. Gabriel Filho, Faculdade de Ciências e Engenharias, (FCE-UNESP), Tupã, São Paulo, Brasil, gabrielfilho@tupa.unesp.br

O. J. Seraphim, Faculdade de Ciências Agronômicas, (FCA-UNESP), Botucatu, São Paulo, Brasil, seraphim@fca.unesp.br.

F. L. Caneppele, Faculdade de Zootecnia e Engenharia de Alimentos (FZEA-USP), Pirassununga, São Paulo, Brasil, caneppele@usp.br

C. P. C. Gabriel, Faculdade de Ciências e Engenharias, (FCE-UNESP), Tupã, São Paulo, Brasil, camila@tupa.unesp.br

F. F.Putti, Faculdade de Ciências e Engenharias, (FCE-UNESP), Tupã, São Paulo, Brasil, fernandoputti@tupa.unesp.br

Edmond Becquerel, em 1839) decorre da excitação dos elétrons de alguns materiais semicondutores na presença da luz, constituindo-se no aparecimento de uma diferença de potencial nos extremos de uma estrutura do material [3]. Entre os materiais mais usados para a conversão da radiação solar em energia elétrica destaca-se o silício.

A energia proveniente dos ventos é uma abundante fonte de energia renovável, limpa e disponível. A utilização desta fonte energética para a geração de eletricidade, em escala comercial, teve início há pouco mais de 30 anos e foi através de conhecimentos da indústria aeronáutica que os equipamentos para geração eólica evoluíram rapidamente em termos de ideias e conceitos preliminares para produtos de alta tecnologia.

No Brasil, embora o aproveitamento dos recursos eólicos tenha sido feito tradicionalmente com a utilização de cataventos multipás para bombeamento de água, algumas medidas precisas de vento, realizadas recentemente em diversos pontos do território nacional, indicam a existência de um imenso potencial eólico ainda não explorado.

Em linhas gerais pode-se notar que o incentivo para a produção de energias renováveis tem apresentado diversas razões tais como, preocupação ambiental, desenvolvimento social e econômico, competitividade frente à geração convencional, volatilidade no preço do combustível fóssil, aumento da demanda energética, segurança energética e políticas governamentais [4].

No Brasil a utilização de placas fotovoltaicas para a geração de energia teve um impulso notável através de políticas públicas e incentivo governamental, que aliada a grande disponibilidade de radiação solar incidente no Brasil, atraiu interesse de fabricantes [5].

Devido as características que o Brasil apresenta, o sistema fotovoltaico é um dispositivo de alta eficiência para a produção de energia elétrica, principalmente se forem consideradas as comunidades que se encontram isoladas. Além disso, como a eletrificação rural é caracterizada pela dispersão geográfica da população, baixo consumo, altos investimentos por consumidor e elevado custo operacional, comparada a eletrificação urbana, observa-se em um baixo retorno financeiro e até mesmo em alguns casos prejuízos a concessionárias de energia elétrica [6].

Aplicações de energias alternativas em propriedades rurais podem ser observadas nos trabalhos de [7], [8]. [9] e [10].

Estes sistemas são adequados para atender as necessidades energéticas de locais isolados devido ao alto custo da eletrificação de lugares com baixa demanda e de difícil acesso.

Considera-se um sistema híbrido aquele que utiliza conjuntamente mais de uma fonte de energia, dependendo da disponibilidade dos recursos energéticos locais, para geração de energia elétrica [11].

Observa-se que no meio rural estão sendo difundidas tecnologias para o aproveitamento da energia solar para a produção de pequenas quantidades de energia elétrica [12].

Devido às necessidades de fontes de energias renováveis e buscando atender as necessidades de regiões isoladas no meio

A

rural, este trabalho teve como objetivo a análise das variáveis que determinam a potência gerada por um sistema híbrido na região do município de Botucatu-São Paulo.

II.MATERIAL E MÉTODOS

O experimento foi realizado no Núcleo de Energias Alternativas e Renováveis - NEAR do Laboratório de Energização Rural do Departamento de Engenharia Rural da UNESP, Faculdade Ciências Agronômicas, Fazenda Experimental Lageado (Fig. 1), localizada no município de Botucatu, São Paulo, com localização geográfica definida pelas coordenadas 22° 51' Latitude Sul (S) e 48° 26' Longitude Oeste (W).

Figura 1. Estrutura do local onde serão instaladas as placas fotovoltaicas. Fonte: [13].

O sistema foi dimensionado inicialmente através do software SIMHIBRIDO - Programa Computacional de Simulação de Sistemas Híbridos para Energização Rural, desenvolvido pelo NEAR/FCA/UNESP, utilizando séries de dados meteorológicos e elétricos coletados no local acima mencionado.

Para a montagem do sistema híbrido, em relação à geração de energia elétrica a partir da energia solar incidente no local, foram utilizados três módulos fotovoltaicos I-100 da ISOFOTON com potência nominal de 100Wp cada, totalizando 300Wp instalados (Fig. 2). Os módulos foram conectados em paralelo para elevação da corrente, mantendo a mesma tensão de saída.

Os módulos fotovoltaicos, cujas células são feitas de silício monocristalino, foram instalados em um suporte, voltado para o norte geográfico e inclinado em um ângulo de 33° nesta direção, correspondente à latitude do local adicionada de 10 º. Suas especificações técnicas estão descritas na Tabela I.

Figura 2. Módulos fotovoltaicos de 100 Wp cada, instalados em paralelo e constituindo o painel fotovoltaico do sistema híbrido. Fonte: [13]

TABELA I

ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS DOS MÓDULOS FOTOVOLTAICOS.

Especificações do Módulo I-100/12

Físicas

Dimensões 1310 mm × 654 mm ×

39.5 mm

Números de células em série 36

Número de células em paralelo 2

Área de células no módulo 0.72 m2

TONC (800 W/m2_{, 20} o_{C, AM 1.5, 1} m/s) 47 o_C Elétricas (1000 W.m-2_{, 25} o_{C célula, AM 1.5)} Tensão nominal 12 V Potência máxima 100 Wp ± 10 % Corrente de curto-circuito 6.54 A

Tensão de circuito aberto 21.6 V

Corrente de potência máxima 5.74 A

Tensão de potência máxima 17.4 V

Fonte: [13]

Para a geração de energia elétrica a partir da energia eólica disponível no local, foi utilizado um aerogerador AIR-X modelo rural da SOUTHWEST WINDPOWER (Fig. 3) com potência nominal de 400 W, dotado de controlador de carga interno, constituindo-se assim a geração eólica do sistema eólico fotovoltaico. O aerogerador foi montado em uma torre de aço com 14 metros de altura e suas características são apresentadas na Tabela II.

Figura 3. Aerogerador AIR-X com potência nominal de 400W, instalado no sistema híbrido. Fonte: [13]

TABELA II

ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS DO AEROGERADOR UTILIZADO NO SISTEMA HÍBRIDO

Especificações do Aerogerador AIR-X

Diâmetro do rotor 1.15 m

Velocidade do vento para partida 3.13 m/s

Tensão 12 e 24 VDC

Potência nominal 400 W a 12.5 m.s-1

Proteção contra excesso de velocidade

Controle de torque eletrônico

Fonte: [13]

elétricos, utilizando um datalogger CR23X, conforme mostrado na Fig. 4, foi programado para efetuar leituras a cada 10 segundos e fazer médias e totalizações dos valores lidos a cada 5 minutos. A coleta dos dados foi realizada durante um ano, diuturnamente, para avaliar a influência das horas do dia e da sazonalidade na geração de energia elétrica pelo sistema híbrido e seus componentes. Na maioria dos dados, que foram tabelados, foi feita uma média diária. Os dados coletados foram utilizados nas simulações com relações desenvolvidas neste trabalho.

Os dados coletados foram armazenados inicialmente no datalogger e posteriormente em um computador através do programa PC208W, utilizando-se a interface CSI do datalogger em conexão com a porta serial RS232 do computador, com a utilização de um modem instalado para este fim.

A partir dos dados medidos no sistema híbrido, foi possível obter a irradiância (g), temperatura (T), velocidade do vento (v) e potências solar fotovoltaica (Ps), eólica (Pe) e híbrida (Ph).

Ph = Ps + Pe

(1)

Ps = potência solar fotovoltaica (watts) Pe = potência eólica (watts)

Ph = potência híbrida (watts)

Figura 4. Equipamento para aquisição de dados – Datalogger CR23X. Fonte: [13]

III. RESULTADOS E DISCUSSÃO

A produção de energia eólica-fotovoltaica é uma alternativa para lugares onde não há instalações de redes que possam suprir a necessidade das comunidades isoladas, desse modo se torna uma opção, visto que a construção de linhas de transmissão é inviável financeiramente, e deve ser levado em conta a questão ambiental que envolve.

No estudo foi realizada coleta de dados durante um ano e foram estabelecidas a média diária da irradiância solar, velocidade do vento, determinações das potências solar, eólica

e híbrida calculada para valores variáveis da temperatura ambiente.

Foi realizada a análise estatística descritiva das informações relativas: irradiância (g), temperatura (T), velocidade do vento (v) e potências solar fotovoltaica (PS) ,

eólica (PE ) e híbrida (PH ). (Tabela III e Tabela IV). TABELA III

ANÁLISE DESCRITIVA DOS DADOS DE IRRADIÂNCIA (g), TEMPERATURA (T), VELOCIDADE DO VENTO (V) E POTÊNCIAS SOLAR FOTOVOLTAICA (PS)’, EÓLICA (PE ) E HÍBRIDA (PH ) NO

PRESENTE ESTUDO.

Variáveis Média Desvio Padrão Mínimo Máximo

g (W.m-2_{) 440,28 146,85 73,98 659,12} Ps (W) 132,53 39,20 25,90 184,38 Pe (W) 10,625 6,440 0,000 34,290 v (m/s) 3,1671 1,0783 0,0000 5,0800 Ph (W) 143,15 38,36 34,12 204,84 TABELA IV

QUARTIS DOS DADOS DE IRRADIÂNCIA (g), TEMPERATURA (T), VELOCIDADE DO VENTO (V) E POTÊNCIAS SOLAR FOTOVOLTAICA (PS)’, EÓLICA (PE ) E HÍBRIDA (PH ) NO PRESENTE ESTUDO.

Variáveis 1.º Quartil (Q1) 2.º quartil (Q2) 3.º quartil (Q3) g (W.m-2_{) 342,82 476,89 551,43} Ps (W) 109,36 144,37 61,82 Pe (W) 6,920 9,950 13,070 v (m/s) 2,9800 3,3600 3,6800 Ph (W) 121,56 156,41 170,79

Após a coleta dos dados foi realizada uma análise estatística, elaborando o Boxplot para a irradiância solar e para a velocidade do vento (Fig. 5).

(i) (ii)

Figura 5. Boxplot para os dados (i) Irradiância e (ii) Velocidade do vento.

Os valores para a irradiância variaram entre 73,98 e 659,12

(W.m-2_{). A eficiência da célula fotovoltaica é reduzida com o}

aumento da temperatura, desta forma, o aumento da irradiância não implica, necessariamente, no aumento da produção de energia. A velocidade do vento teve uma variação

condições ambientais e climáticas foi determinada a potência máxima gerada no sistema (Fig. 6).

P h P e Ps 225 200 175 150 125 100 75 50 25 0 w ( w atts )

Boxplot da potência ( Ps;Pe;Ph)

Figura 6. Boxplot da potência solar para as Placas Solares Fotovoltaicas (Ps), Eólica (Pe) e a Potência Hibrida (Ph).

A partir das análises foi verificado que a potência gerada pelo sistema fotovoltaico variou de 26 a 185 W aproximadamente e a potência gerada pelo aerogerador variou de 0 a 35 W. A potência gerada pelo sistema híbrido, combinação dos dois sistemas anteriores, variou de 34 a 205 W.

Considera-se com as análises da produção das placas fotovoltaicas (Ps) e do aerogerador (Pe), que as combinando em sistema híbrido, pode-se obter complementariedade da geração de energia e assim, o sistema se apresenta como uma alternativa para a produção de energia em regiões remotas e principalmente em meio rural.

V.CONCLUSÃO

O sistema hibrido de produção de energia, utilizando placas fotovoltaicas e aerogeradores, torna-se um modelo que pode ser implementado em locais remotos, por exemplo, em comunidades rurais, que as instalações de distribuição de energia não chegam, principalmente, por causa do alto custo de instalação, manutenção e muitas vezes seu retorno financeiro é muito baixo, levando a prejuízos por parte das distribuidoras.

A potência do sistema analisado oscilou aproximadamente entre 35 a 205 Watts e foi possível observar a complementariedade do sistema híbrido, tornado atrativo para a geração distribuída de energia.

REFERÊNCIAS

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L. R. A. G. Filho, graduado em Matemática, Universidade Estadual Paulista, UNESP, campus de Presidente Prudente, Brasil em 2000, mestrado em matemática pela Universidade de São Paulo, USP em 2004 e doutorado em Agronomia (Energia na Agricultura) pela Universidade Estadual Paulista – UNESP, campus de Botucatu 2007. Trabalha com pesquisas na área de modelagem matemática aplicada em Ciências Agrárias. Atualmente é professor assistente doutor da Universidade Estadual Paulista – UNESP, campus de Tupã.

O. J. Seraphim, graduado em Engenharia Elétrica pela Fundação Educacional de Bauru (1981), mestrado e doutorado em Energia na Agricultura pela Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho (1992). Professor Livre Docente em "Energização Rural" e atualmente professor adjunto da UNESP - Faculdade de Ciências Agronômicas - Campus de Botucatu. Tem experiência na área de Energização Rural, com ênfase em Geração Distribuída de Energia e Fontes Alternativas de Energia, atuando principalmente nos seguintes temas: energização rural convencional; energias renováveis solar fotovoltaica e eólica; aproveitamento de pequenos recursos hidroenergéticos; eficiência energética em atividades agroindustriais e co-geração de energia no setor sucroalcooleiro.

C. P. Cremasco Gabriel, graduada em licenciatura em Matemática pela Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho (2000), mestrado em Matemática pela Universidade Federal de São Carlos (2004) e doutorado em Agronomia (Energia na Agricultura) pela Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho (2008). Atualmente é professora assistente da Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho, Campus de Tupã.

F. L. Caneppele, graduado em Engenharia Elétrica pelo Centro Universitário da FEI - Faculdade de Engenharia Industrial (1999), mestrado em Agronomia - Energia na Agricultura pela Faculdade de Ciências Agronômicas - UNESP/FCA (2007), licenciatura para Bacharéis e Tecnólogos e Matemática pelo Centro Universitário Nove de Julho - UNINOVE (2008) e doutorado em Agronomia - Energia na Agricultura pela Faculdade de Ciências Agronômicas - UNESP/FCA (2011). Tem experiência

na área de Engenharia Elétrica e atua em Eficiência Energética, Fontes Alternativas e Renováveis de Energia, Estudos da Matriz Energética, Geração de Energia e o Meio Ambiente, Automação Industrial, Instalações Elétricas Industriais e Lógica Fuzzy. Atualmente é professor doutor na Universidade de São Paulo – USP, campus de Pirassununga.

F. F. Putti, graduado em Administração e Agronegócio Universidade Estadual Paulista – UNESP, campus de Tupã, Brasil em 2012, mestrado e doutorado em Agronomia (Irrigação e Drenagem) pela Universidade Estadual Paulista, UNESP, campus de Botucatu, 2014 e 2015 respectivamente. Trabalha com pesquisas na área de modelagem fuzzy. Atualmente é professor assistente doutor da Universidade Estadual Paulista – UNESP, campus de Tupã. E pesquisador da Universidade José do Rosário Vellano, UNIFENAS, Alfenas – MG.