ESTUDO ESTATÍSTICO DE RADIAÇÃO SOLAR VISANDO O
PROJETO DE UNIDADES DE DESSALINIZAÇÃO ACIONADAS
POR PAINÉIS FOTOVOLTAICOS SEM BATERIAS
PAULO CESAR MARQUES DE CARVALHO
RICARDO SILVA THÉ PONTES
DEMERCIL DE SOUZA OLIVEIRA JR
DOUGLAS BRESSAN RIFFEL
RICARDO GILDO VIEIRA DE OLIVEIRA
SAMUELSON BRITO MESQUITA
DEE – Universidade Federal do Ceará
Cx. Postal 6001 / 60.455-760 / Fortaleza, CE, Brasil
Resumo
Dentre os processos de dessalinização que mais se adequam à região semi-árida nordestina do Brasil, a osmose reversa vem apresentando crescente aplicação. Uma instalação de osmose reversa que use tecnologia fotovoltaica de obtenção de energia atende às necessidades do interior do nordeste, já que dispensa a rede elétrica no local. O presente artigo apresenta um estudo estatístico de radiação fazendo uso de dados coletados no Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Ceará, em Fortaleza, que teve o objetivo de possibilitar o projeto de uma instalação de osmose reversa acionada por painéis fotovoltaicos. Os resultados do estudo visam permitir a comparação entre o desempenho da instalação para diferentes tempos de operação e diferentes níveis de radiação. Os resultados foram expostos na forma de gráficos de radiação mensal, gráficos de períodos contínuos máximos diários com radiação solar acima de 300 e 500 W/m², histogramas de radiação solar e gráficos de tempo acumulado com radiação maior que 300 e 500 W/m². Observou-se consideráveis diferenças de ano a ano no comportamento da radiação, bem como uma variação gradual ao longo de um ano, o que reflete a sazonalidade anual do comportamento da radiação entre os períodos seco e úmido, o que deverá influir diretamente na estratégia de operação da planta.
Abstract
Among several treatment processes suitable for the Northeastern semi-arid area of the Brazil, the reverse osmosis presents growing application. A plant of reverse osmosis that uses photovoltaic technology attends to the needs of that area, since it does not demand local electrical grid. The present paper shows a statistical study of radiation making use of data collected in the Department of Electrical Engineering of the Federal University of Ceará, in Fortaleza, and it has the aim of be used in the project of a plant of reverse osmosis supplied by photovoltaic panels. The results of the study allow the comparison of different number of panels, radiation levels used to supply the plant and times of operation. The results are exposed in form of graphs such as: solar radiation, histograms of solar radiation, accumulated time and maximum continuous periods with solar radiation above 300 and 500 W/m². It was observed considerable annual differences in the behaviour of the radiation, as well as a gradual variation along one year, what reflects the annual difference of the radiation behaviour in wet and dry periods, and this will influences directly the strategy of operation of the plant.
1. Introdução
A disponibilidade de água potável em todo o mundo vem diminuindo de forma a merecer atenção especial de entidades internacionais e da comunidade científica. Segundo estudo publicado (UNESCO, 2004), até a metade deste século a escassez de água atingirá de 2 a 7 bilhões de pessoas em mais de quarenta países. No Brasil, a região semi-árida nordestina apresenta particularidades desfavoráveis à disponibilidade de água, tais como a má distribuição das chuvas e a falta de uma periodicidade suficiente para o aproveitamento eficaz da água. Somado a isso, aproximadamente 75% dos poços perfurados nessa região apresentam uma quantidade total de sólidos dissolvidos acima de 500 ppm, ou seja, produzem água inadequada ao consumo humano (MME, 2004).
Dessa forma, ganham crescente importância os processos de dessalinização. Dentre os processos mais adequados à região semi-árida nordestina destaca-se a osmose reversa, que consiste em uma bomba de alta pressão responsável por um fluxo de água salobra contra uma
membrana semipermeável que retém o excesso de sal. Em conjunto com um sistema fotovoltaico para o suprimento de energia, esse processo apresenta-se como uma solução viável para as condições do interior do Nordeste, onde há regiões sem rede elétrica.
Método de dimensionamento de unidades de osmose reversa acionadas por painéis FV utilizando um banco de baterias foi apresentado em (TZEN, 1998). Esses projetos necessitam somente das médias diárias de radiação solar para especificar o tamanho do banco de baterias. Entretanto, projetos sem armazenadores de energia, necessitam de um estudo mais detalhado das características de radiação solar locais.
Em (LOUREIRO, 2001) é avaliada, através da instalação de um protótipo, a possibilidade de usar a geração FV sem baterias para suprir a demanda da unidade de osmose reversa para dessanilização de água em comunidades rurais. Resultados preliminares foram conduzidos pelo Departamento de Energias Renováveis do INETI em Lisboa, Portugal. Os dados forma coletados no verão de 2000.
2. Características Climáticas do Nordeste
No Brasil, a seca é característica da região semi-árida nordestina, conhecida por Polígono das Secas. Não se trata necessariamente de baixa precipitação de chuva, mas sim de uma irregular distribuição temporal e espacial. A Figura 1 mostra que cerca de 85 % da chuva anual no território cearense ocorre durante o período de janeiro a maio. Além dessa característica, as chuvas ocorrem preferencialmente nas regiões costeiras, deixando o sertão com uma quantidade ínfima de água no período de junho a dezembro (FUNCEME, 2002). Somado a isso, ainda existe a variabilidade pluviométrica interanual, podendo ocorrer estiagens acentuadas, onde a população sertaneja, tipicamente carente, não consegue o mínimo de alimentos para o sustento no interior. Paralelamente, esta região apresenta uma temperatura média anual de 28 °C e um elevado potencial solar de aproximadamente 2000 kWh/m2 por ano.
0 50 100 150 200 250 JA N FEV MA R AB R
MAI JUN JUL AGO SE
T OU T NOV DE Z Precip itação d e c h u v a ( m m )
Figura 1: Precipitação média mensal no período 1974-2002 no estado do Ceará
3. Metodologia de Análise dos Dados de Radiação
Os problemas da seca no Nordeste brasileiro podem ser amenizados com a instalação de dessalinizadores em comunidades isoladas. Essas comunidades, muitas vezes, não possuem sequer energia elétrica. Nessas condições os dessalinizadores necessitam de uma instalação confiável, simples e robusta. A tecnologia FV apresenta todas estas características e se torna viável em locais sem acesso a rede elétrica. Os fabricantes de módulos FV garantem seus produtos por até 25 anos. Um motor-bomba de corrente contínua (CC) adequa-se à instalação proposta, por dispensar o uso de inversor no acoplamento painéis FV/carga.
A incidência de radiação influencia diretamente na energia entregue à carga e, conseqüentemente, na quantidade de água potável. Desta forma, uma quantidade produzida mínima de horas de operação deve ser garantida, visando garantir o suprimento de água potável à comunidade. O número de horas durante as quais o sistema pode operar depende de dois fatores: • Características do sistema: tais como a potência mínima para o acionamento da bomba e o
número de módulos FV utilizados. Um número maior de módulos permite o suprimento da potência mínima em níveis inferiores de radiação. No presente estudo comparam-se os
períodos em que a radiação está acima de 300 W/m² (estima-se que esse seja o nível mínimo de radiação para o acionamento com 3 módulos FV de um motor-bomba de 12 Vcc que forneça 5 bar) e os períodos em que a radiação está acima de 500 W/m² (para um motor-bomba idêntico, estima-se serem necessários 2 módulos FV).
• Radiação incidente: característica local que varia ao longo do tempo.
O presente estudo utilizou dados de radiação do período de abril de 2003 a março de 2004, que foram trabalhados paralelamente aos dados de abril de 2004, de maio a setembro de 2001, de outubro a dezembro de 2000 e de janeiro a março de 2001, esses 12 últimos meses utilizados para análise comparativa em relação aos primeiros 12 meses acima citados. Os resultados foram apresentados graficamente no seguinte formato:
3.1. Gráficos de radiação mensal (Figuras 2 e 3).
Apresentam a energia diária média disponível de cada mês [kWh/m²/dia], calculada a partir dos dados de radiação [W/m²] e do período de medição [h].
3.2. Gráficos de períodos contínuos máximos diários com radiação solar acima de 300 e 500 W/m² (Figuras 4[a], 4[b], 4[c] e 4[d]).
Mostram o maior período de incidência contínua de radiação acima do nível considerado (300 ou 500 W/m²) de cada dia do mês. Foram apresentados os meses de maior e menor intensidade de radiação do período entre abril de 2003 e março de 2004 (setembro de 2003 e fevereiro de 2004).
3.3. Histogramas de radiação solar (Figuras 5[a] e 5[b]).
Apresentam o tempo total em minutos em que a radiação esteve nas faixas entre 100 e 200 W/m² (faixa indicada pelo número 100 no gráfico), entre 200 e 300 W/m² (indicada pelo número 200), etc. Foram apresentados os meses de maior e menor intensidade de radiação do período entre abril de 2003 e março de 2004 (setembro de 2003 e fevereiro de 2004).
3.4. Gráficos de tempo acumulado com radiação maior que 300 e 500 W/m² (Figuras 6[a], 6[b], 6[c], 6[d]).
Nesses gráficos são mostrados os tempos totais em minutos em que a radiação esteve acima do nível considerado (300 ou 500 W/m²) durante períodos contínuos acima de determinado valor. Foram apresentados os meses de maior e menor intensidade de radiação do período entre abril de 2003 e março de 2004 (setembro de 2003 e fevereiro de 2004).
4. Resultados
4.1. Gráficos de radiação mensal.
A partir da Figura 2 observa-se um comportamento suave entre abril de 2003 e março de 2004, o que indica uma variação não abrupta dos níveis de radiação na passagem do período seco (julho a dezembro) para o período chuvoso (janeiro a junho) e vice-versa. O menor nível de radiação ocorreu em faixa intermediária do período chuvoso, no mês de fevereiro (2,97 kWh/m²/dia). Já o maior nível de radiação ocorreu em faixa intermediária do período seco, no mês de setembro (6,56 kWh/m²/dia).
Figura 2: gráfico da energia diária média entre abril/2003 a março/2004.
A Figura 3 apresenta valores máximos e mínimos em agosto (6,03 kWh/m²/dia) e março (4,37 kWh/m²/dia), respectivamente. Isso indica o comportamento semelhante de variação de radiação de ano para ano, embora os valores variem consideravelmente.
Figura 3: gráfico da energia diária média para meses comparativos
4,07 4,84 4,95 5,94 6,30 6,56 6,22 5,84 5,16 3,22 2,97 4,77 5,07 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 E n ergia (kWh/m²/dia) abr 03 m ai 03 jun 03 jul 03 ago 03 set 03 out 03 nov 03 dez 03 jan 04 fev 04 m ar 04 m éd M ês
E n e rg ia d iá ria m é d ia - p e río d o d e a b ril/2 0 0 3 a m a rç o /2 0 0 4
5,14 5,27 5,01 5,74 6,03 5,22 4,93 4,44 4,49 4,46 4,38 4,37 4,96 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 E n ergi a (kWh/ m ²/ di a) abr 04 m ai 01 jun 01 jul 01 ago 01 set 01 out 00 nov 00 dez 00 jan 01 fev 01 m ar 01 m éd M ês
4.2. Gráficos de períodos contínuos máximos diários. 4.2.1. Radiação maior que 300 W/m².
No mês de setembro de 2003 ocorreu diariamente no mínimo um período contínuo acima de 300min (5h) (Figura 4[a]). Em setembro de 2001 tivemos menor continuidade de radiação. Mesmo assim, 23 dias apresentaram pelo menos um período acima ou igual a 5h.
Figura 4[a]: gráficos de período contínuo máximo para setembro em 2003 e 2001
Em fevereiro de 2004 (Figura 4[b]), apenas em 7 dias houve período contínuo de 300min (5h), porém em pouco menos da metade dos dias do mês (13 dias) houve ao menos um período contínuo maior que 200min (3h20min). No mesmo mês, 25 dias tiveram ao menos um período contínuo maior ou igual a 100min (1h40min). Em fevereiro de 2001 ocorreram 13 dias com pelo menos um período contínuo maior ou igual a 5h, e em 23 dias houve período contínuo maior ou igual a 1h40min.
Figura 4[b]: gráficos de período contínuo máximo para fevereiro em 2004 e 2001 P e río d o co n tín u o m á x im o ra d ia ç ão > 3 0 0 W /m ² S ete m b ro 0 100 200 300 400 500 600 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 D ia Duração [mi n ] 2003 2001 P erío do c on tín uo m áxim o radiação >300W /m ² F evereiro 0 100 200 300 400 500 600 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 D ia Duração [min] 2004 2001
4.2.2. Radiação maior que 500 W/m².
Em setembro de 2003 (Figura 4[c]), 27 dias apresentaram período contínuo de 300min (5h). Em setembro de 2001 houve menor continuidade de incidência de radiação, e apenas 7 dias chegaram a ter períodos de 5h. Porém, no mesmo mês, 19 dias tiveram períodos contínuos maiores ou iguais a 200min (3h20min), 24 dias tiveram períodos contínuos maiores ou iguais a 100min (1h40min).
Figura 4[c]: gráficos de período contínuo máximo para setembro em 2003 e 2001
Em fevereiro de 2004 (Figura 4[d]) houve 5 dias com período contínuo maior ou igual a 200min (3h20min), 8 dias com período contínuo maior ou igual a 100min (1h40min) No mesmo mês, os dias 5 e 6 não apresentam períodos de duração considerável com radiação acima de 500 W/m². Já em 2001, 2 dias tiveram períodos contínuos máximos acima de 300 min, 8 dias tiveram períodos contínuos com duração maior que 200min(3h20min) e 17 dias tiveram períodos contínuos máximos maiores ou iguais a 100min (1h40min).
Figura 4[d]: gráficos de período contínuo máximo para fevereiro em 2004 e 2001
P eríod o con tín uo m áxim o rad iação> 500W /m ² S etem bro
0 100 200 300 400 500 600 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 D ia Duração [min] 2003 2001 P erío d o co n tín u o m áxim o rad iação >500W /m ² F evereiro
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 2 8 D ia D u ração [ m in] 2 0 0 4 2 0 0 1
4.3. Histogramas de radiação dos meses de fevereiro e setembro.
Em setembro de 2003 a faixa com maior tempo acumulado é a de 900 a 1000 W/m² (Figura 5[a]). Nesse mês há um crescimento suave do período total de cada faixa. Porém, em setembro de 2001 a concentração maior fica na faixa de 100 a 200 W/m², e a distribuição é mais homogênea entre as faixas.
Figura 5[a]: histograma de radiação solar em setembro de 2003 e 2001.
Em fevereiro de 2004 há uma distribuição decrescente entre as faixas, sendo a maior concentração na faixa de 100 a 200 W/m² (Figura 5[b]). A radiação do mês de fevereiro de 2001 possui o mesmo comportamento, porém há presença de níveis de radiação mais elevados: enquanto em 2004 a incidência de radiação superior a 700 é praticamente desconsiderável, em 2001 as faixas acima de 700 W/m² mantiveram-se presentes, embora havendo um decrescimento de intensidade. 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
Tempo total [min]
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
F aixas d e rad iação [W /m ²]
H is to g ra m a d e ra d ia ç ã o so la r - S ete m b ro
2003
2001
Figura 5[b]: histograma de radiação solar em fevereiro de 2004 e 2001.
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
Tempo total [min]
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
F aixas d e rad iação [W /m ²]
H isto g ram a d e rad ia ç ão s o lar- F e ve re iro
2004
4.4. Gráficos de tempo acumulado. 4.4.1. Radiação acima de 300 W/m².
Em setembro de 2003 (Figura 6[a]) verifica-se um comportamento quase constante do tempo acumulado desde 10 min até 7h20min. Isso indica que esse mês teve intensa incidência de radiação, e grande parte dos períodos contínuos acima de 10 min com radiação acima de 300 W/m² estenderam-se até mais de 7h seguidas. Esse comportamento difere daquele de setembro de 2001, onde há um decréscimo mais acentuado da duração dos períodos. Para setembro de 2003, se tomarmos um mínimo de 2h de radiação contínua acima de 300 W/m², teríamos um total de 12810 min. Se forem tomadas 5h de funcionamento contínuo, teríamos também 12810 min.
Figura 6[a]: gráfico de tempo acumulado de setembro de 2003 e 2001
Para fevereiro de 2004, temos um comportamento decrescente e níveis mais baixos de radiação (Figura 6[b]). Desse gráfico temos um total de 5070 min em intervalos contínuos de radiação de no mínimo duas horas, e um total de 2410 min em intervalos contínuos de radiação de no mínimo cinco horas. Observa-se um comportamento semelhante da curva que representa fevereiro de 2001, porém com níveis mais elevados de tempos acima de 300 W/m².
Figura 6[b]: gráfico de tempo acumulado de fevereiro de 2004 e 2001. T e m p o ac u m u lad o ra d iaç ã o > 30 0 W /m ² S e te m b ro 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 0:10 0:30 0:50 1:10 1:30 1:50 2:10 2:30 2:50 3:10 3:30 3:50 4:10 4:30 4:50 5:10 5:30 5:50 6:10 6:30 6:50 7:10 D u ração acim a d e [h :m in ]
Tempo acumulado [min]
2003 2001 T e m p o a c u m u la d o ra d ia ç ã o > 3 0 0 W /m ² F e ve re iro 0 2 0 0 0 4 0 0 0 6 0 0 0 8 0 0 0 10 0 0 0 12 0 0 0 14 0 0 0 0:10 0:30 0:50 1:10 1:30 1:50 2:10 2:30 2:50 3:10 3:30 3:50 4:10 4:30 4:50 5:10 5:30 5:50 6:10 6:30 6:50 7:10 D u ra ç ã o ac im a d e [h :m in ]
Tempo acumulado [min]
2 00 4 2 00 1
4.4.2. Radiação acima de 500 W/m².
Observa-se uma diferença acentuada dos gráficos apresentados na Figura 6[c]. Em setembro de 2003 houve uma disponibilidade maior de períodos com radiação acima de 500 W/m² em relação a setembro de 2001.
Figura 6[c]: gráfico de tempo acumulado de setembro de 2003 e 2001
Avaliando-se os resultados para o período chuvoso através da Figura 6[d], observa-se uma diferença considerável entre os meses de fevereiro de 2004 e fevereiro de 2001. Em fevereiro de 2004, observa-se para a radiação um período contínuo acima de 500 W/m² de no máximo 5h.
Figura 6[d]: gráfico de tempo acumulado de fevereiro de 2004 e 2001 T e m p o a c u m u la d o ra d iaç ã o > 5 0 0 W /m ² S e te m b ro 0 2 0 0 0 4 0 0 0 6 0 0 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2 0 0 0 1 4 0 0 0 0:10 0:30 0:50 1:10 1:30 1:50 2:10 2:30 2:50 3:10 3:30 3:50 4:10 4:30 4:50 5:10 5:30 5:50 6:10 6:30 6:50 7:10 D u ração acim a d e [h :m in ]
Tempo acumulado [min]
2003 2001 T em p o ac u m u la d o ra d ia çã o > 5 0 0 W /m ² F eve re iro 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 0:10 0:30 0:50 1:10 1:30 1:50 2:10 2:30 2:50 3:10 3:30 3:50 4:10 4:30 4:50 5:10 5:30 5:50 6:10 6:30 6:50 7:10 D u ração acim a d e [h :m in ]
Tempo acumulado [min]
2004 2001
5. Conclusões
Observa-se uma complementaridade entre as curvas pluviométrica (Figura 1) e de radiação (Figuras 2 e 3), onde o valor máximo dos índices pluviométricos ocorre no valor mínimo de energia solar potencial. Isso indica uma adequação da utilização da tecnologia fotovoltaica para a aplicação em dessalinização de água.
O objetivo de aumentar o potencial de tempo de operação de uma instalação de osmose reversa a partir da utilização de um número maior de módulos FV pode ser concretizado. Vale ressaltar que o tempo de operação contínua que garanta máxima vida útil de um sistema de osmose reversa deve ser avaliado e utilizado no dimensionamento da instalação fotovoltaica sem armazenamento de energia.
A diferença considerável entre períodos com radiação acima de 300 W/m² e com radiação acima de 500 W/m² mostra a necessidade de uma análise de relação custo benefício na definição do número de módulos FV utilizados na planta de osmose reversa, pois o uso de um maior número desses painéis pode aumentar a produção de água de forma atrativa.
Observa-se os baixos níveis de radiação apresentados em meses úmidos, enquanto que em meses secos a maior concentração está nos altos níveis de radiação. Especialmente nesses últimos, representados pelo mês de setembro, observou-se uma variação de comportamento considerável de ano para ano.
6. Referência Bibliográfica
[1] UNESCO; Water for people - water for life - the United Nations world water development
report; UNESCO Publishing / Berghahn Books, 2003. Disponível em:
<http://www.unesco.org/water/wwap/wwdr/ex_summary/>. Acesso em: 11 mai. 2004.
[2] MME; Projeto cadastro da infra-estrutura hídrica do Nordeste – Relatório preliminar; 2003. Disponível em: <http://www.cprm.gov.br/rehi/projeto.pdf>. Acesso em: 11 mai. 2004.
[3] TZEN, E.; PERRAKIS, K.; BALTAS P.; Design of a stand alone PV – desalination system for
rural areas; Desalination, 119; Elsevier Science B.V.; 1998.
[4] LOUREIRO, D.; JOYCE, A.; RODRIGUES, C.; CASTRO, S.; Small reverse osmosis units PV
system for water purification in rural places; Desalination, 137; Elsevier Science B.V.; 2001.
[5] FUNCEME; Fundação Cearense de Meteorologia e Recursos Hídricos: Dados pluviométricos
