AUTO-SUSTENTABILIDADE ENERGÉTICA DA UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS POR MEIO DO ESTUDO DA ENERGIA SOLAR
ALISON RUDÁ DE CAMARGO*1, DANIEL ROBSON PINTO1, RAFAEL CALIXTO ROCHA1
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Curso de Graduação - Faculdade de Engenharia Elétrica e Computação/UNICAMP *E-mail do autor correspondente: alisonruda@gmail.com
RESUMO: A Universidade Estadual de Campinas demanda um grande potencial energético com suas atividades acadêmicas. A idéia principal é fazer um estudo da aplicabilidade da energia solar no campus, buscando a auto-sustentabilidade. Concluiu-se que a aplicação de painéis solares seria de grande valia à universidade, e embora cara, a tecnologia apresenta um período relativamente curto de retorno financeiro. PALAVRAS-CHAVE: energia solar, auto-sustentabilidade energética, energia limpa
ENERGY SELF-SUSTAINABILITY OF STATE UNIVERSITY OF CAMPINAS THROUGH THE STUDY OF SOLAR ENERGY
ABSTRACT: The State University of Campinas requires a large energy potential with its academic activities. The main idea is to study the applicability of solar energy on campus, seeking self-sustainability. It was concluded that the application of solar panels would be of great utility to the university, and, however expensive, the technology presents a relatively short period of financial return. INTRODUÇÃO
Em função da crescente necessidade mundial por novas fontes de energia, o potencial da energia solar passa a ter um papel importante atualmente. No entanto, a participação dessa forma de energia, embora limpa, ainda é pequena. Atualmente existem dispositivos capazes de transformar a energia do sol em energia elétrica. Esses são baseados na interação entre matéria e radiação, como no efeito fotoelétrico de Einstein.
Com as células fotovoltaicas (PV) foi possível criar as primeiras placas solares, que juntamente com um sistema de controle e armazenamento de energia, permite obter hoje uma eficiência entre 14% e 19%.
Sabemos o quanto a energia é importante e o quanto de recursos naturais é destruído anualmente para que o mundo utilize esta energia. Partindo disso tivemos a idéia do nosso trabalho, pois acreditamos que nós, como universidade, como academia, temos a obrigação de mostrar ao resto da sociedade o quanto é importante se desenvolver de forma sustentável, e uma maneira de mostrar isso seria sermos auto-sustentáveis em energia elétrica.
Entre as formas de energia renovável disponíveis atualmente, optamos pela energia solar, devido à localização geográfica do campus, apresentando sol intenso durante um longo período do ano, altos índices de radiação solar e por esta tecnologia apresentar o mínimo de poluição e impacto ambiental.
Descartamos a energia eólica, principalmente por apresentar impacto sobre o fluxo das correntes de ar e poluição sonora. Também a bioenergia, por não possuirmos biomassa suficiente e pelos resíduos produzidos com a geração de energia.
Devemos destacar também que o tema de energia solar na Unicamp já foi discutido em um trabalho anterior na revista online da disciplina (SARRUF, G.A.), no entanto iremos seguir uma linha de análise diferente da abordada pelo outro grupo. Discutiremos sempre que possível as incoerências encontradas no outro artigo e proporemos inovações tecnológicas que aproximam o projeto a algo mais real.
De forma ainda mais sustentável, iremos analisar a viabilidade das placas solares para que ocupem somente as áreas construídas do campus, evitando assim a destruição de alguma área natural para a instalação das mesmas.
MATERIAIS E MÉTODOS
Para a realização do presente estudo buscamos inicialmente informações técnicas sobre o sistema de energia do campus da Universidade Estadual de Campinas em Barão Geraldo.
A energia elétrica da Unicamp é 100% obtida através do sistema convencional do Brasil, ou seja, usinas hidroelétricas. O gerenciamento do sistema de energia do campus é realizado pela Divisão de Sistemas, com interface junto à concessionária CPFL.
A universidade é consumidor livre (ou seja, é dispensada de pagamento dos gastos
energéticos), apresentando média mensal de consumo na ordem de 5.500 MWh (megawatts/hora), com valor de R$235,00 por MWh, segundo o diretor da Divisão de Sistemas da Unicamp, o Eng. Vicente José Costa Valle. Desta forma a Unicamp tem um gasto mensal de aproximadamente R$ 1.292.500, referente ao consumo de energia elétrica.
Outra informação é a área construída do campus de Barão Geraldo que é de 545.506 m2
(
Anuário Estatístico da UNICAMP de 2010, base de dados 2009). Consideraremos 60% deste valor, aproximadamente 330.000 m², pois nem toda a área construída poderá ser utilizada como local no qual permanecerão os painéis solares.
Uma informação importante é a irradiação solar em Barão Geraldo. O seu valor varia em função da época do ano, do clima e da localização geográfica. Desta forma, utilizaremos a irradiação solar diária média de Campinas (CRESESB, 2010), sendo esta aproximadamente 5,6 KWh/m².dia. Para otimizar a incidência luminosa, consideraremos as placas em uma inclinação de 23º para o Norte, inclinação esta calculada para maximizar a captura na latitude da cidade de Campinas.
Sabemos que a irradiação solar é limitada, pois depende do sol para funcionar. Normalmente são utilizadas baterias que armazenam o excedente da energia gerada durante o dia para ser utilizada a noite. Projetos que utilizam esta tecnologia são chamados de OFF-GRID, sendo a mais utilizada no Brasil atualmente. Entretanto as baterias encarecem muito o projeto devido ao seu elevado custo.
Optamos por realizar um projeto ON-GRID (muito utilizado em outros países, como Alemanha e Espanha), onde as placas solares são conectadas diretamente na rede elétrica. Esta tecnologia é mais viável financeiramente, pois dispensa a utilização de baterias. A energia excedente durante o dia é enviada para a própria rede elétrica, fazendo assim com que o relógio medidor de consumo gire no sentido contrário, e a noite essa energia pode ser reutilizada.
Desta forma, para a implementação desse sistema, precisaremos de um conjunto de painéis solares (que são diversos módulos interligados eletricamente de modo a formar uma única estrutura) que estarão devidamente distribuídos nos telhados das construções da Unicamp e alguns equipamentos que servirão para controlar a distribuição da energia (Figura 2).
Figura 1. Esquema da montagem proposta para sistema autônomo de energia elétrica
Devido à distância entre os prédios, iremos dividir em grupos (ou setores, Figura 2) as regiões da universidade com os painéis instalados, estes devidamente interligados e ligados aos inversores e controladores de carga. Desta forma, cada setor terá diversos painéis, um inversor e um controlador cada. Portanto, suprindo a energia exigida nessa região e
enviando o excedente para a rede elétrica, que deverá percorrer todos os setores, finalizando no relógio medidor (ou seja, percorrendo o caminho das placas para a rede externa).
O inversor é responsável pela transformação da corrente, obtida por meio da energia solar, de contínua para alternada. A tensão elétrica gerada pelas placas solares é baixa (12V, 24V ou 48V) e de corrente contínua. A utilização desse equipamento é justamente para tal correção, possibilitando também o aumento da tensão, já que a maioria dos equipamentos e tomadas da universidade funcionam em 110V e 220V.
Existem diversos conversores no mercado, inclusive o primeiro nacional, desenvolvido este ano na Unicamp (JORNAL DA UNICAMP, 2010).
Já o controlador de carga limita a taxa de transferência d a corrente elétrica que é adicionada ou retirada no sistema. Ele se encarregará de saber a demanda da energia em um exato momento para enviar o excedente para a rede elétrica externa.
Além dos equipamentos apresentados necessitamos também de dispositivos de proteção (disjuntores e aterramento) e as estruturas de suporte dos painéis (que devem suportar fortes ventos, e estar devidamente aterradas eletricamente). Entretanto não iremos considerar tais gastos no orçamento proposto, pois estes representam um pequeno gasto comparado com as grandes despesas de equipamento, como será apresentado.
Além disso, a universidade necessita também de tensões mais elevadas para diversos equipamentos e máquinas. Tais valores podem ser obtidos através da rede elétrica externa, a partir da energia excedente fornecida, ou utilizando transformadores para tal elevação. Uma alternativa seria utilizar os 230 postes disponíveis para essa transformação, dispensando a necessidade de aquisição de mais equipamentos.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Iniciamos por calcular a potencia nominal gerada a partir da radiação solar necessária para atender o consumo mensal da Unicamp, possibilitando assim calcular a área de painéis necessária para tal projeto.
Devemos primeiramente calcular o índice de dimensionamento (Kd) da instalação, tomando
a razão do consumo energético médio diário (J = kWh/dia) pela média de irradiação solar por metro quadrado dia (I = kWh/m2.dia):
I J
Kd (1)
O resultado obtido para a nossa situação foi aproximadamente Kd = 32.738 m2, sendo a
área necessária para suprir a demanda energética caso conseguíssemos um aproveitamento total da energia fornecida pelo Sol, o que sabemos ser impossível.
Desta forma, para calcular a área total real (A) de painéis solares devemos tomar a razão entre o índice de dimensionamento (Kd = m2) pela
eficiência das células (E = %, onde adotaremos um caso máximo, ou seja, eficiência de 19%):
E K
A d
(2)
Obtemos assim, uma área necessária de aproximadamente 172.300m2 de painéis fotovoltaicos. Entretanto, devido aos erros associados às variações de irradiação solar anual, consideraremos um acréscimo de 10% deste valor, pois queremos garantir uma produção excedente de energia elétrica.
Portanto necessitaremos aproximadamente de 190.000 m2, correspondendo a apenas 34% da área construída do campus.
Estes erros poderiam ser minimizados ajustando mensalmente a inclinação dos painéis, buscando sempre o ângulo de maior incidência solar.
Apresentamos agora um plano de divisão das áreas construídas da Unicamp em regiões, como explicado anteriormente. Para cada região, instalaremos a correspondente área em painéis solares, um inversor e um controlador de carga. Desta forma necessitaremos de 10 exemplares para cada um dos dois equipamentos citados (Tabela 1).
Optamos por utilizar painéis solares Kyocera Solar KD205GX-LP, pois são os que proporcionam a maior potência disponível no mercado atual. Cada painel possui uma área ativa de 1,458 m2. Tomaremos também controladores Morningstar Sunsaver 20L e inversores Magnum MM1524AE, pois são os mais confiáveis, tradicionais e bem citados no mercado.
Figura 2. Foto do campus da Unicamp em Barão Geraldo mostrando as áreas construídas e divisões das regiões consideradas para os equipamentos
A partir de tais considerações apresentamos os custos referentes a toda implementação do projeto proposto (em dólares americanos):
Tabela 1. Orçamento do projeto Componente Preço Uniário (US$) Quant. Total (US$) Placa solar 560,00 130.316 72.976.960 Inversor 751,00 10 7510 Controlador 99,00 10 990 TOTAL : 72.986.460
A cotação do dólar referente ao dia 24 de novembro de 2010 é de R$ 1,72, portanto, resultando em um gasto total aproximado de R$ 125.536.711.
O valor calculado é realmente alto, mas a partir do conhecimento do gasto energético
mensal vemos que em aproximadamente 8 anos a Unicamp teria pago tal investimento se não fosse livre de despesas de energia elétrica. Além disso, podemos reduzir o seu consumo energético aplicando projetos de outros artigos publicados na revista on-line da disciplina
(http://sistemas.ib.unicamp.br/be310/. Acesso em
20 de novembro), que propõem alternativas para economia de energia. Podemos citar: “O desperdício de energia com o mau uso de computadores pessoais”, “Luminosidade no campus na Unicamp”, “Implementação de método para economia de energia elétrica na utilização de refrigeradores” e “Estudo sobre a economia de energia no restaurante universitário através do uso de aquecimento solar de água”.
Desta forma, teremos uma redução significativa no consumo de energia elétrica da
universidade, refletindo na redução da área de painéis solares, e, portanto, menores custos.
Outra informação importante a ser destacada é o tempo de vida dos componentes utilizados. O tempo de vida de um painel solar pode se estender por várias décadas. A maioria dos fabricantes oferece garantias de pelo menos 25 anos. Já os outros componentes de instalação, podem durar entre 3-15 anos, entretanto apresentam um custo muito inferior em comparação aos painéis. Desta forma comprovamos a viabilidade do investimento.
Comparando agora nosso trabalho com o exposto no outro artigo mencionado, podemos destacar: 1) o outro grupo utiliza baterias para o armazenamento do excedente energético, encarecendo ainda mais o projeto. Cada bateria custa aproximadamente R$500, duram no máximo cinco anos e seriam necessárias dezenas ou centenas delas. Propusemos uma nova alternativa, que é a transferência para a rede elétrica externa. 2) Eles não consideraram a irradiação solar da região, nem conheciam o consumo energético real da Unicamp (utilizando apenas o consumo das lâmpadas presentes na universidade o que pelos resultados mostrou que tal suposição é totalmente errada), resultando numa área muito pequena de células solares. 3) Nós pesquisamos os melhores lugares para a instalação de tais painéis, sendo estes as áreas construídas do campus, aproveitando os vários telhados.
Além disso, a possibilidade de aplicação das células solares nos telhados favorece o não aquecimento do interior dos prédios, pois os
painéis solares refletem grande parte da radiação solar que não foi convertida em eletricidade (Oliveira & Frateschi, 2009). Portanto outra função importante para a economia energética, já que desta forma, há uma economia nos aparelhos de ar condicionado.
Portanto, apesar do mesmo tema, nosso projeto apresenta diversas qualidades em relação ao citado.
AGRADECIMENTOS
Agradecemos ao o diretor da Divisão de Sistemas da Unicamp, o Eng. Vicente José Costa Valle, pelas informações cedidas, a professora Ana Flavia Nogueira pela atenção cedida e todos as pessoas que têm feito pesquisas na área de energias alternativas.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Anuário Estatístico da UNICAMP de 2010 (Base de dados 2009).
JORNAL DA UNICAMP, 2010 “Até o último raio de sol”, N° 453, março de 2010, pag. 6. Nogueira, A. F., 2001. Tese de doutorado,
Instituto de Química, Universidade Estadual de Campinas, UNICAMP, Campinas (2001). Oliveira, A.V., Frateschi, N.C., “Sistema Híbrido
de Geração Fotovoltaica e aquecimento de água”, XVIII Congresso Interno de Iniciação Científica da UNICAMP, 2009.
PV Technology, Performance, and Cost – 2007 Update, Prometheus Institute for Sustainable Development.
SARRUF, G.A., PIGA, L.P.R, “ VIABILIDADE DA ENERGIA SOLAR NA UNICAMP”, Revista BE310, Vol.2, N°2.
STAHTATOS, E.; P. LIANOS. Adv. Mater. 2007, 19, 3338-3341.
