COMPARAÇÃO ENTRE DOIS LOCAIS DE DIFERENTES QUANTIDADES DE
IRRADIAÇÃO SOLAR – IBIZA E BERLIM – PARA IMPLEMENTAÇÃO DE UM
DIMENSIONAMENTO DE UM SISTEMA FOTOVOLTAICO RESIDENCIAL
Artur Rech da Rosa – e-mail: arrosa@ucs.br
Instituto de Saneamento Ambiental – ISAM - UCS Rua Francisco Getúlio Vargas, 1130, Cidade Universitária CEP 95070-560 – Caxias do Sul - RS
Bruna de Bittencourt – e-mail: bbittencourt@ucs.br
Instituto de Saneamento Ambiental – ISAM - UCS
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 e a comparação de dois sistemas fotovoltaico, para residências isoladas da rede de abastecimento de energia elétrica e com o mesmo consumo elétrico, situadas em locais de diferente quantidade de irradiação solar, sendo uma na ilha de Ibiza, Espanha, e outra na cidade de Berlim, Alemanha. 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° para Ibiza e 0,76 kWh/m² em um ângulo de 36° para Berlim. Através do auxílio de expressões matemáticas foram dimensionados o número de módulos fotovoltaicos, para suprir a demanda destas residências e estimado o custo para cada sistema. Obtiveram-se 16 módulos de 195 W utilizando uma área de 23,52 m² e um custo de 44.850 reais para Ibiza e 64 módulos de 195 W utilizando uma área de 94,08 m² e um custo de 184.800 reais para Berlim. 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.
COMPARISON BETWEEN TWO PLACES WITH DIFFERENT AMOUNTS OF SOLAR
RADIATION - IBIZA AND BERLIN - FOR A RESIDENTIAL PHOTOVOLTAIC
SYSTEM SIZING IMPLEMENTATION
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 simplified sizing and comparison of two photovoltaic systems for residences, with the same power consumption, that are isolated of the electric power supply system, located in places with different amount of solar radiation, one on the island of Ibiza, Spain, and another in Berlin, Germany. 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° for Ibiza and 0.76 kWh/m² for na angle of 36° for Berlin. Through the aid of mathematical expressions were sized the number of photovoltaic modules to supply the demand of both residences and the estimated value for each system. The number of modules obtained was 16 modules with 195 W each occupying an area of 23.52 m² and an estimated value of 44,850 reais for Ibiza and 64 modules with 195 W each occupying an area of 94.08 m² and an estimated value of 184,800 reais for Berlin. 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.
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, demonstrar as diferenças em um dimensionamento de um sistema fotovoltaico simplificado para duas residências em locais de diferente irradiação solar, sendo uma situada na ilha de Ibiza, Espanha, a 39°1’14” Norte, 1°24'15" Leste, com elevação de 246 m e a outra situada na cidade de Berlim, Alemanha, a 52°31’12” Norte, 13°24’18” Leste, com elevação de 51 m, ambas as residências estão isolada da rede de abastecimento elétrico. Foram utilizados valores de equipamentos reais, não levando em conta os seus custos.
2. METODOLOGIA
Este trabalho utilizou o método proposto por Rosa et al (2014), onde são utilizados dados de ângulo ótimo para instalação do sistema, irradiação mínima disponível diária e consumo máximo diário, que serão relacionados e interligados através de equações citadas na metodologia empregada. No entanto, o dimensionamento do presente trabalho será feito somente até o número de placas fotovoltaicas necessárias para suprir a demanda requerida, onde é utilizado o valor de menor irradiação diária para cada cidade, devido à necessidade de suprir totalmente as demandas das residências, mesmo que em épocas de baixa insolação.
Utiliza-se, ainda, um valor de 75.000 reais para cada 5 kWp instalados, já incluindo o custo total de projeto, equipamentos, instalação e baterias. Após, as duas cidades serão comparadas utilizando os resultados deste dimensionamento.
3. DIMENSIONAMENTO E RESULTADOS
Para o dimensionamento dos módulos solares, para as residências em Ibiza e Berlim, são utilizados os ângulo de 39° e 36° respectivamente, sendo estes ângulos os que representam a melhor incidência de irradiação solar durante o ano. Segundo os dados do software livre PVGis (2012), foi possível obter os valores médios de irradiação média diária para os ângulos citados, como pode ser observada na Tabela 1.
Tabela 1 - Irradiação diária média
Fonte: Adaptado pelos Autores a partir de PVGis (2012) Mês Irradiação diária para
39° (kWh/m²)
Irradiação diária para 36° (kWh/m²) Janeiro 3,46 1,05 Fevereiro 4,21 2,07 Março 5,09 2,82 Abril 5,56 4,14 Maio 5,94 5,17 Junho 6,16 4,7 Julho 6,32 5,00 Agosto 6,18 4,68 Setembro 5,71 3,47 Outubro 4,98 2,43 Novembro 3,56 1,3 Dezembro 3,13 0,76
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 para Ibiza e 0,76 kWh/m² para Berlim, isto ocorre devido ao início do solstício de inverno no hemisfério norte. O mês de maior irradiação foi o de julho com 6,32 kWh/m² para Ibiza e o mês de maio com 5,17 kWh/m² para Berlim.
A demanda energética das residências é estabelecida através de um estudo dos equipamentos, que consomem energia e a quantidade de vezes que são utilizados nas casas num mesmo dia, sendo estabelecido o mesmo consumo em ambas as residências. 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
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 Equação (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 Equação (2).
(2) O valor de PpeakIBIZA é igual a 2,99 kWp e PpeakBERLIM é igual a 12,32 kWp; o valor de Potência de Pico trata da energia que obtemos (em condições menos favoráveis de irradiação) em relação a necessidade de consumo das residências.
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 normalmente baterias de recarga suportam. Através da Equação (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 para ambas as cidades é de 1,78 módulos, sendo considerado 2 módulos, pois não é possível fracioná-los. O valor de módulos em série é idêntico para as diferentes cidades, pois este dimensionamento não depende de valores de dados dos sítios, mas sim, do funcionamento do sistema fotovoltaico, ou seja, dos dados fornecidos pela tabela do fabricante dos módulos e dos valores estabelecidos de tensão dos módulos a serem empregados.
Para o dimensionamento do número de módulos em paralelo (NP), através da Equação (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 para a cidade de Ibiza e à de Berlim são necessários 31,58 módulos adotando-se 32 módulos em paralelo para cada série. Então o número total de módulos no sistema para satisfazer a necessidade diária das residências, é de 16 e 64 módulos, respectivamente.
A área total do sistema para Ibiza será de 23,52 m², empregados no telhado da residência, e o sistema para Berlim necessitará de 94,08 m², visto que cada módulo possui uma área de 1,47 m², sendo este valor o que consta na Figura 1.
4. CONSIDERAÇÕES FINAIS
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. No entanto, para uma verificação antes da escolha do local pretendido para a instalação de um sistema deste tipo, é necessário observar se será viável tanto economicamente quanto na disponibilidade de espaço livre para o sistema.
A partir dessa premissa, serão necessários para o sistema, segundo dados apresentados na Tabela 3: Tabela 3 – Necessidade do Sistema
Sistema Ibiza Berlim
Necessidade Energética (kWh/dia) 6,46 6,46 Potência de Pico (kWp) 2,99 12,32
Número de Módulos 16 64
Área Requerida (m²) 23,52 94,08
Custo (R$)
44.850
184.800
Conforme Tabela 3, é possível observar que ambas as residências possuem o mesmo consumo energético, no entanto, devido a menor irradiação, na cidade de Berlim, será necessário um maior número de módulos para sanar esta necessidade elétrica. Este maior número de módulos implica em uma maior área requerida para montagem do sistema e um maior custo agregado, o que pode inviabilizar o projeto devido ao alto tempo de retorno do investimento, considerando o mesmo valor para 1 kWh cobrado por uma distribuidora de energia elétrica caso estas residências fossem do tipo on-grid.
REFERÊNCIAS
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. 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 fev. 2014.
PVGis. Software livre para auxílio ao dimensionamento fotovoltaico na Europa. 2012. Disponível em: < http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/> Acesso em 05 mar. 2014.
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.
ROSA, A. R.; BITTENCOURTO, B.; BRITO, M. C. Dimensionamento de um sistema fotovoltaico para uma residência isolada situada em Ibiza – Espanha. In: 4º Congresso Internacional de Tecnologia para o Meio Ambiente, 2014, Bento Gonçalves. 4º Congresso Internacional de Tecnologia para o Meio Ambiente, 2014.
