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Geração de Energia Elétrica

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UNIVERSIDADE FEDERAL DA GRANDE DOURADOS FACULDADE DE ENGENHARIA ENGENHARIA DE ENERGIA MATEUS CHRISTOVAM SILVA TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO ENERGIA FOTOVOLTAICA E EÓLICA FORA DA REDE PARA COMUNIDADE ISOLADA DOURADOS 2023 ALUNO TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO ENERGIA FOTOVOLTAICA E EÓLICA FORA DA REDE PARA COMUNIDADE ISOLADA Trabalho de conclusão de curso apresentado à Faculdade de Engenharia da Universidade Federal da Grande Dourados como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro de Energia Orientador Prof Dr Orlando Moreira Júnior DOURADOS 2023 FICHA CATALOGADA MATEUS CHRISTOVAM SILVA TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO ENERGIA FOTOVOLTAICA E EÓLICA FORA DA REDE PARA COMUNIDADE ISOLADA Trabalho de conclusão de curso aprovado como requisito parcial para a obtenção do título de Bacharel em Engenharia de Energia da Faculdade de Engenharia da Universidade Federal da Grande Dourados pela comissão formada por ORIENTADORES AGRADECIMENTOS RESUMO Atualmente a humanidade é dependente de energia elétrica e a tendência é que essa dependência só cresça Boa parte dos recursos utilizados hoje para a produção de energia são limitados Sendo assim a busca por fontes renováveis e limpas pode ser uma alternativa para evitar uma eventual crise Nesse cenário a energia solar e eólica chamam a atenção devido a relativa facilidade em se implantar sistemas de pequeno porte dessa categoria Quando utilizado um banco de baterias esse sistema pode atuar de forma independente da rede e desse modo suprir regiões carentes de energia ou com baixa qualidade dela Esse trabalho traz um estudo para implementação de um sistema fora de rede onde metade da demanda é suprida por energia fotovoltaica e a outra metade por energia eólica Os aerogeradores componentes do sistema eólico representam um gasto elevado e isso pode ser uma das justificativas para a maior popularidade do sistema fotovoltaico em geral Palavraschave energia eólica energia fotovoltaica rede ABSTRACT Currently humanity is dependent on electricity and the trend is that this dependence will only grow Most of the resources used today for energy production are limited Therefore the search for renewable and clean sources can be an alternative to avoid a possible crisis In this scenario solar and wind energy draw attention due to the relative ease of implementing small systems of this category When a bank of batteries is used this system can act independently of the grid and in this way supply regions lacking in energy or with low energy quality This work presents a study for the implementation of an offgrid system where half of the demand is supplied by photovoltaic energy and the other half by wind energy Wind turbines components of the wind system represent a high expense and this may be one of the reasons for the greater popularity of the photovoltaic system in general Keywords wind energy photovoltaic energy network SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO 09 11 Justificativa 10 12 Objetivos 10 121 Objetivo Geral 10 122 Objetivos Específicos 10 2 METODOLOGIA 10 3 CENÁRIO ENERGÉTICO ATUAL 11 4 ENERGIAS RENOVÁVEIS 11 41 Energia Solar 11 411 Placas Fotovoltaicas 14 412 Inversores de Frequência 15 413 Baterias 15 42 Energia Eólica 15 421 Aerogeradores 17 43 Energia Elétrica na Zona Rural 20 5 ESTUDO DE CASO 21 51 Localização da Comunidade 21 52 Levantamento de Carga 22 53 Dimensionamento Fotovoltaico 23 531 Dimensionamento do Banco de Baterias 23 532 Dimensionamento dos Painéis 23 5321 Irradiação Local 24 5322 Escolha das Placas 24 533 Dimensionamento do Inversor 25 54 Dimensionamento Eólico 25 6 RESULTADOS 25 7 CONCLUSÃO 26 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 27 9 1 INTRODUÇÃO A procura mundial de alternativas para uma geração de energia barata limpa e eficiente é evidente nos dias de hoje O aumento da demanda energética justifica a busca pela ampliação da matriz O desenvolvimento populacional e o maior consumo de produtos que demandam energia elétrica explicam esse crescimento No Brasil essa situação não é diferente Na década de 70 por exemplo o consumo de energia elétrica era de 39660TWh EPE 2006 já em 2018 o consumo foi de 475237TWh EPE 2021 Desse modo é importante avaliar o sistema energético brasileiro e buscar alternativas que possam suprir uma possível necessidade futura O Brasil possui uma forte dependência da energia proveniente de hidrelétricas sendo elas responsáveis por aproximadamente 652 da geração de energia no país BEN 2018 Portanto a energia brasileira é dependente de construções que demandam características específicas para a geração ficando evidente a necessidade da busca por fontes alternativas de energia Nesse contexto a energia fotovoltaica aparece como uma possível alternativa uma vez que o Brasil apresenta um dos maiores potenciais fotovoltaicos do mundo PORTALSOLAR 2019 Esse potencial vem sendo aproveitado cada vez mais e mesmo durante o período da pandemia a energia fotovoltaica obteve um crescimento de 50ABSOLAR 2021 Outra fonte de energia alternativa a energia de hidrelétricas é a energia eólica Apesar de em números absolutos ela ainda representar uma menor participação na matriz energética brasileira o uso dessa energia vem crescendo Isso é justificado pois assim como a energia fotovoltaica ela é considerada como renovável e apesar dos impactos ambientais existentes em sua produção podese dizer que é uma energia limpa quando comparados a outros meios convencionais como as termoelétricas Atualmente a energia fotovoltaica e eólica podem ser implementadas de forma integrada com a rede de forma isolada ou híbrida O sistema isolado também chamado de off grid é especialmente recomendado para áreas rurais que mesmo quando são atendidas por concessionárias possuem problemas com a qualidade Viana et al 2017 A questão da energização da zona rural atinge também uma questão social uma vez que é um ambiente socialmente fragilizado que possui 10 além de grandes propriedades da agroindústria pequenos produtores locais Schneider 2019 11 Justificativa A crescente demanda por energia elétrica juntamente com o potencial limitado dos principais recursos utilizados atualmente fazem com que a busca por energias consideradas renováveis e limpas seja uma questão prioritária Somado a isso a falta de qualidade ou até mesmo a não existência do suprimento de energia para regiões isoladas tornam a utilização de fontes renováveis com baterias os chamados sistemas off grid a solução ideal para a busca de qualidade de vida 12 Objetivos 121 Objetivo Geral Como objetivos geral esse trabalho apresenta Dimensionar um sistema fora da rede fotovoltaico e eólico para uma comunidade isolada 122 Objetivos Específicos Os objetivos específicos deste trabalho se concentram em Levantar os principais pontos a respeito da energia fotovoltaica e eólica Quantificar a demanda energética de uma região isolada Estipular os gastos financeiros para a implementação de um projeto fotovoltaico e eólico na região de referência 2 METODOLOGIA Essa pesquisa pode ser classificada como qualiquantitativa pois propõe através do uso de variáveis mensurar uma proposta de investimento e classificála como viável ou não entretanto essas variáveis possuem um caráter qualitativo como por exemplo a questão ambiental que necessita da interpretação do autor Tratase também de uma pesquisa experimental pois busca avaliar financeiramente por meio de estimulações caso um projeto fotovoltaico e eólico fossem aplicados e segundo Gonsalves esse tipo de pesquisa procura evidenciar as relações entre os fatos e as teorias Em relação ao levantamento de dados pode 11 ser considerada uma pesquisa bibliográfica pois utiliza materiais anteriores para obter informações segundo Menezes et al essa pesquisa utiliza fontes bibliográficas ou material elaborado como livros publicações periódicas artigos científicos impressos diversos ou ainda textos extraídos da internet 3 CENÁRIO ENERGÉTICO ATUAL Atualmente a oferta da energia elétrica brasileira diferentemente da mundial vem na sua maioria de fontes de energia renováveis Em 2018 a geração de centrais de serviços públicos somada a autoprodutores foi de 6014 TWh sendo as centrais se serviço público responsável por 832 dessa geração Importações em 2018 são de valores de 350TWh resultando em uma oferta interna de energia elétrica de 6344TWhEPE 2020 A figura 1 Mostra a fonte da Matriz Energética Elétrica Brasileira em 2021 Figura 1 Fonte da Matriz Energética Elétrica Brasileira Fonte EPE 2021 4 ENERGIAS RENOVÁVEIS 41 Energia Solar 12 A vida no planeta Terra é totalmente dependente do Sol além de aquecer a superfície terrestre ele é responsável pela energia na Terra sendo fundamental na formação de matéria orgânica O Sol propicia calor e potência Schneider 2019 A energia solar pode ser aproveitada para a geração de energia elétrica ou térmica Pinho 2014 Uma das formas de se aproveitar a energia térmica do sol é por meio de placas solares para aquecimento de água podendo assim dispensar ou minimizar o uso da eletricidade em chuveiros Outro modo é por meio das usinas heliotérmicas As usinas heliotérmicas funcionam de modo semelhante às usinas termoelétricas uma fonte de calor aquece a água que movimenta turbinas gerando energia mecânica Assim essa energia mecânica se transforma em energia elétrica Schram 2019 As usinas heliotérmicas entretanto não são uma forma usual de se obter energia elétrica por meio do Sol Nesse sentido as placas solares que fazem uso do efeito fotovoltaico se mostram mais práticas A energia fotovoltaica é baseada no efeito fotovoltaico Esse efeito explicado pela primeira vez Edmond Becquerel no século XIX consiste no surgimento de uma diferença de potencial na extremidade de um semicondutor quando este está exposto à incidência da luz solar Mas foi somente na década de 1950 que a primeira célula fotovoltaica realmente efetiva foi construída O sistema fotovoltaico pode atualmente ser instalado de duas maneiras conectado à rede on grid ou isolado a rede off grid No primeiro sistema o consumidor ainda é dependente da concessionária de energia e deve seguir os padrões estabelecidos por ela o projeto fotovoltaico normalmente é feito visando suprir o consumo total de energia elétrica Entretanto esse projeto pode ser dimensionado de modo a suprir somente de forma parcial o consumo uma vez que o sistema ainda está conectado à rede de energia elétrica ele pode se beneficiar da energia vinda da concessionária Ou seja em momentos quando ocorre um aumento da demanda ou queda de geração no sistema fotovoltaico não há risco de falta pois ainda podese recorrer a rede de energia elétrica Caso ocorra um excesso de produção o consumidor pode utilizar desse excesso como crédito na 2 concessionária por meio de crédito esses créditos possuem a validade de três anos Boso et al 2015 13 O segundo sistema off grid corresponde ao sistema que não tem conexão com a concessionária Ou seja toda geração e consumo é independente daquilo que é oferecido pela concessionária local Nesse sistema a geração de energia elétrica deve ser projetada para suprir toda a demanda de energia pois o que é consumido é aquilo que é gerado Ou seja não há uma conexão externa com outra fonte de energia Desse modo é particularmente interessante o projeto de um sistema fotovoltaico fora da rede que considere toda a demanda e um possível acréscimo dela Esse sistema apresenta a vantagem de poder ser utilizado em regiões remotas ou quando há um mal atendimento da concessionária pois o consumidor assim tornase independente O sistema off grid é composto por quatro elementos as placas solares os inversores as baterias e os controladores de carga O esquemático dos componentes de um sistema fotovoltaico independente da rede pode ser visto na figura 2 Figura 2 Sistema off grid Fonte Portal do Sol 2015 O funcionamento desse sistema fotovoltaico consiste na utilização dos módulos placas solares para obter e converter a energia solar em energia elétrica As baterias que têm a função do armazenamento da energia elétrica o regulador de carga também conhecido como controlador de carga é projetado para proteger as baterias contra o excesso de carga ou descargas profundas Lopes 2014 E por último os inversores que possuem a finalidade da conversão da tensão contínua em tensão alternada 14 Há equipamentos que fazem uso da energia na sua forma contínua podendo portanto serem conectados sem o auxílio do inversor Mas a maioria dos equipamentos disponibilizados comercialmente trabalham com a energia de forma alternada 411 Placas Fotovoltaicas As placas fotovoltaicas e painéis solares são feitas da junção de duas placas de silício material semicondutor encontrado em grande abundância na natureza O silício para a fabricação das placas tem que apresentar uma pureza de quase 100 e depois passar por uma etapa de corte e dopagem Nesta etapa de dopagem geralmente se adiciona Fósforo formando uma placa tipo N com elétrons livres pois o fósforo possui 1 elétron a mais na sua camada de valência em relação ao silício e na outra placa se adiciona o Boro que possui 1 elétron a menos na camada de valência deixando a placa tipo P com lacunas COSTA 2020 As placas mais comuns de serem encontradas são as Monocristalinas Policristalinas e as Amorfas A figura 3 mostra um exemplo de placa fotovoltaica comercial com seus componentes Figura 3 Placa Fotovoltaica Comercial Fonte Costa 2020 15 412 Inversores de Frequência Os inversores de frequência são responsáveis por captar a geração CC corrente contínua produzida pelas placas fotovoltaicas e transformálas em CA corrente alternada E também o inversor é responsável por medir a energia gerada manter a segurança e sincronia do sistema Os inversores são dimensionados através da potência dos painéis e da tensão gerada pelos painéis ligados em série FRANCHI 2009 A figura 4 mostra um exemplo de inversor de frequência comercial Figura 4 Inversor de Frequência Comercial Fonte FRANCHI 2009 413 Baterias São componentes dispensáveis no sistema dentro da rede e de extrema importância para os projetos fora uma vez que são responsáveis por armazenar energia Nas baterias a energia elétrica é convertida em energia química Há diversos tipos de baterias disponíveis no mercado e segundo Copetti2007 independente das características construtivas específicas esta bateria envolve os materiais ativos chumbo Pb e óxido de chumbo PbO2 nas placas e ácido sulfúrico H2SO4 como eletrólito 42 Energia Eólica O uso da energia eólica é anterior ao uso da energia elétrica Isso é devido ao uso marítimo uso para bombeamento e de moinhos Em 1888 houve a criação do 16 primeiro catavento com objetivo de fornecer eletricidade Antes e durante a primeira e segunda guerra mundial a energia elétrica eólica ocupava papel de destaque devido a facilidade de obter o seu recurso principalvento enquanto recursos fósseis estavam escassos Na Holanda em 1911 ela era responsável por 11 da matriz energéticaPUC RIO 2020 O uso da energia eólica para geração de eletricidade é possível graças aos ventos Os ventos são resultados do deslocamento de ar Esse deslocamento de ar ocorre devido à diferença de temperatura e por consequência à densidade entre o ar Isso é quando o ar é aquecido ele se expande e se desloca para regiões superiores O ar menos quente então se desloca para ocupar esse espaço A partir disso a construção de pares que giram devido ao vento quando conectadas a um gerador permitem a geração de energia elétricaAZEVEDO 2017 Como a energia eólica é dependente dos ventos é fundamental conhecer o potencial energético da região para saber se a instalação de uma usina eólica é viável ou não na região O Brasil possui um potencial total estimado de geração de 272 TWhano entretanto esse potencial não é distribuído de forma uniforme As regiões litorâneas devido a questões geográficas possuem um potencial mais elevado que as outrasPINTO et al 2017 A figura mostra o potencial energético eólico estimado em diferentes regiões do país 17 Figura 5 Potencial Eólico no Brasil Fonte Amarante et al 2021 Os componentes fundamentais de uma usina eólica fora da rede constituem aerogeradores e componentes semelhantes ao de uma usina fotovoltaica como inversores e banco de baterias 421 Aerogeradores Aerogeradores são elementos capazes de converter a energia mecânica dos ventos em energia elétrica Eles são compostos por sete componentes fundamentais Sendo eles 1 Torre compreende a conexão para a fundação e pode ser feita de diversos materiais e possuir diferentes alturas A figura 6 mostra a torre de um aerogerador Figura 6 Torre de Aerogerador 18 Fonte Energes 2020 2 Pás são os componentes que giram por meio da ação do vento A figura 7 mostra o exemplo de uma pá de aerogerador Figura 7 Pás de Aerogerador Fonte Energês 2020 3 Rotor fixam as pás e acionam o giro para obter o melhor ângulo Um rotor de aerogerador pode ser visto na Figura 8 Figura 8 Rotor de Aerogerador 19 Fonte Energês 2020 4 Eixo Componente que transmite a energia que foi gerada pelas pás para o gerador A figura 9 mostra um exemplo de eixo aerogerador Figura 9 Eixo de Aerogerador Fonte Energês 2020 5 Multiplicador conjunto de engrenagens que pode aumentar as rotações até a especificada para o gerador A figura 10 mostra um exemplo desse componente Figura 10 Multiplicador de Aerogerador 20 Fonte Energês 2020 6 Gerador é o elemento em si capaz de gerar energia elétrica pode ser de diversos tipos como síncrono ou assíncrono Entretanto o princípio segue o mesmo A figura 11 mostra um exemplo de gerador em aerogerador Figura 11 Gerador de Aerogerador Fonte Energês 2020 7 Carcaça elemento responsável por proteger toda estrutura 43 Energia Elétrica na Zona Rural A zona rural tem importância significativa no Brasil Além de ser responsável por abrigar cerca de 1528 PNAD 2015 da população o agronegócio 21 corresponde em 2019 a 214 do PIB ou 155 trilhão CNA 2019 Apesar da relevância da zona rural ela é ainda marcada por intensa desigualdade e muitas vezes descaso do poder público Essa situação refletese no acesso a serviços básicos como insuficiência do sistema de esgoto e do abastecimento de água Sarnamento et al 2015 Para a energia elétrica chegar em residências indústrias e estabelecimentos comerciais é necessário um processo que vai desde a geração transmissão e distribuição da energia Por razões econômicas o fornecimento de energia elétrica na zona rural é historicamente mais instável que o de zona urbana Entretanto para mitigar os efeitos da falta de energia elétrica nesse meio e o possível fluxo da população para as cidades o chamado êxodo rural o Governo Federal por meio do estado e municípios tenta fortalecer o campo dentro dessas iniciativas destacase o Programa Nacional de Universalização do Acesso e Uso da Energia Elétrica Luz Para Todos PLT Neves 2021 Anteriormente ao PLT propriedades que não eram atendidas pelas concessionárias de energia elétrica ou permaneciam sem o uso dessa tecnologia ou recorriam a meios da própria produção de eletricidade Um dos mecanismos que podem ser utilizados são os geradores a diesel Os geradores a diesel são baseados no princípio da conversão da energia presente no combustível em energia mecânica e posteriormente a conversão dessa em energia elétrica Scheneider 2019 Apesar 4 da possibilidade do uso desse gerador ele é responsável pela emissão de poluentes e pela intensificação do efeito estufa Roso et al 2016 5 ESTUDO DE CASO 51 Localização da Comunidade O projeto será feito com base na Comunidade Santa Ametista localizada em Santa Catarina As coordenadas geográficas do local são 27º5406 ao sul e 48º4156 a oeste A Figura 12 mostra a visão da comunidade pelo google maps Figura 12 VIsta da Aldeia Santa Ametista 22 Fonte Google Maps 2023 52 Levantamento de Carga Para o dimensionamento do sistema serão consideradas as cargas mostradas no Quadro 1 Além delas será considerado uma margem de folga para futuras ampliações de 100 Quadro 1 Cargas do Projeto Quantidade Descrição PotênciaW Horas ligadodia Consumo kWhMês 42 Lâmpadas Led 10 12 1512 2 Motores 7500 2 900 2 Chuveiros 4500 1 270 6 Refletor Led 50 8 72 2 Caixa de som 100 1 6 1 Máquina de Lavar 800 4 96 1 Geladeira 250 24 180 10 TUEs 100 3 90 17652 23 Margem de Folga Total 35304 Fonte Próprio Autor 2023 53 Dimensionamento Fotovoltaico Será estipulado que o sistema fotovoltaico suprirá 50 do projeto 531 Dimensionamento do Banco de Baterias Considerando o consumo de 353040 kWhmês temos que o consumo diário mês de 30 dias é igual a 11768 kWhdia Para o armazenamento no banco de baterias será considerada uma eficiência de 90 do inversor e 90 do próprio banco Sendo assim a energia necessária En em kWhdia para dimensionamento considerando o inversor é de I 𝐸𝑛 117 68 0 9 0 9 145 28 𝑘𝑊ℎ Para o sistema será considerada uma autonomia de 1 dia A profundidade de descarga é de 30 Assim a energia armazenadaEa pelo banco deverá ser de II 𝐸𝑎 145 280 3 384 27 𝑘𝑊ℎ A capacidade do banco de baterias CB é dada pela razão da energia armazenada pela tensão do banco de baterias Serão consideradas baterias 6 baterias em série de 12V cada Assim 𝐶𝑏 384 2772 5 337 𝑘𝐴ℎ III Será considerada a bateria Bateria Solar Fulguris OPzS 500Ah Nesse caso a quantidade de baterias necessáriasQb é obtida pela razão entre Cb e a capacidade de cada bateria IV 𝑄𝑏 5 3370 5 10 67 Serão consideradas então 11 conjuntos de baterias em série Dessa maneira o total de baterias é igual a 132 532 Dimensionamento dos Painéis Conforme calculado no item anterior a energia diária a ser produzida vale 14528 kWh Além da potência diária para dimensionar os painéis é necessário 24 saber a irradiação local e a escolha do modelo de placa No projeto será considerado um controlador de carga com MPPT 5321 Irradiação Local A irradiação local foi obtida por meio do banco de dados do CRESESBCentro de Referência para as Energias Solar e Eólica Sérgio de S Brito Os valores foram obtidos por meio das coordenadas de referência 27º5406 ao sul e 48º4156 a oeste Será considerado o plano inclinado e o pior cenário de irradiaçãoque ocorre em junho Desse modo a irradiação considerada foi de 364 kWm²dia 5322 Escolha das Placas Será considerado como referência o painel fotovoltaico da Resun RS6E150 150WP Os dados sobre esse modelo são apresentados no quadro 2 Quadro 2 Características do Painel Larguramm 666 Alturamm 1487 Áream² 09903 Rendimento 1529 Tensão 18V Fonte Resun 2023 A energia obtida diariamente por cada placaEDP é dada por V 𝐸𝐷𝑃 𝐼𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 𝐴 𝑛 Onde Isolar Irradiação solar do local A Área da placa n Eficiência Desse modo VI 𝐸𝐷𝑃 3 64 0 9903 0 1529 VII 𝐸𝐷𝑃 0 5512 𝑘𝑊ℎ 𝑑𝑖𝑎 O número de placas Np necessárias é dado pela razão do consumo diário e da energia obtida diariamente por placa VIII 𝑁𝑝 145 280 5512 263 57 25 Para saber o número exato de placas devese considerar que a tensão de cada segmento deve ser pelo menos 25 maior que a tensão do banco de baterias dessa maneira a tensão deve ser de no mínimo 90V Sendo assim serão necessários 5 módulos em série Será adotado então 265 placas sendo 5 em série para cada conjunto e 53 conjuntos em paralelo 533 Dimensionamento do Inversor Considerando o fornecimento diário de 14528kWh temos que a potência média pode ser obtida por esse número dividido pelas 24 horas do dia Assim a potência do sistema é de 605kW Será considerado o inversor de onda senoidal pura IP150012 de 1200W Assim a quantidade de inversoresQi necessários é de IX 𝑄𝑖 6 051 2 5 42 Assim serão adotados 6 inversores 54 Dimensionamento Eólico Seŕa considerado como referência o aerogerador AIR BREEZE LAND Esse aerogerador produz 133 kWhdia a um vento de 5ms Sendo assim o número de aerogeradoresNa necessários para suprir a demanda pode ser obtido pela razão entre a potência demanda diária e a potência de cada aerogerador X 𝑁𝑎 117 681 33 88 48 Assim serão adotados 89 Aerogeradores O número de baterias e de inversores devido a similaridade de potência entre o eólico e fotovoltaico serão os mesmos do sistema fotovoltaico ou seja 132 e 6 respectivamente 6 RESULTADOS O Quadro 3 mostra os materiais escolhidos para a montagem dos dois sistemas Juntamente é apresentado uma estimativa de valores dos produtos com base em busca do autor Quadro 3 Dados dos Projetos Quantidade Item Descrição Modelo Valor Unitário Total 26 89 Aerogerador AIR BREEZE LAND R 690000 R 61410000 6 Inversor IP150012 de 1200W R 209900 R 1259400 265 Placa Solar Resun RS6E150 R 39637 R 10503805 264 Bateria Bateria Fulguris OPzS 500Ah R 150000 R 39600000 Total R 112773205 Fonte Próprio Autor 2023 7 Conclusão É inegável o aumento da necessidade humana por energia dessa forma a busca por novas fontes de energia é sempre bem vinda Apesar da energia eólica e solar possuírem também problemas ambientais como relacionadas ao descarte dos seus materiais ainda assim pode ser considerada uma energia limpa devido ao seu menor impacto quando comparado a outras fontes tradicionais Além disso a característica de ser renovável é um grande ponto positivo uma vez que as tradicionais não o são e corre o risco de em um futuro próximo não conseguir suprir as necessidades humanas Apesar dessas vantagens o sistema solar e principalmente o eólico ainda não são tão acessíveis à população geral Isso é justificado devido a necessidade de um investimento e quando se trata de um sistema off grid ele ainda é encarecido devido às baterias Ainda assim esse tipo de sistema possui a sua vantagem relacionada a independência das concessionárias e em regiões isoladas isso pode ser particularmente vantajoso devido à qualidade da energia muitas vezes oferecida Além do preço dos componentes é preciso considerar que a instalação desse sistema seria ainda mais onerosa devido aos custos com profissional projetista profissionais de instalação e materiais não contabilizados Ademais há também o próprio custo de esforço uma vez que o fornecimento de energia pela concessionária é feito de forma mais simples não necessitando mudanças 27 Para trabalhos futuros sugerese a elaboração de uma comparação financeira a longo prazo de um sistema dentro e fora da rede e um atendido pela concessionária REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 7 COMPONENTES DO AEROGERADOR QUE VOCÊ PRECISA CONHECER ENERGES 07 de abril de 2020 Disponível em httpsenergescombrcomponentesaerogerador Acesso em 30 de abril de 2023 AMARANTE O A C BROWER M ZACK J DE SÁ A L Atlas do Potencial Eólico Brasileiro Brasília Ministério de Minas e Energia 2001 45 p AZEVEDO João Paulo Minardi DO NASCIMENTO Raphael Santos SCHRAM Igor Bertolino Energia eólica e os impactos ambientais um estudo de revisão Revista Uningá v 51 n 1 2017 BOSO A C M Gabriel C P C Filho L R A G 2015 ANÁLISE DE CUSTOS DOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ONGRID E OFFGRID NO BRASIL Revista Científica Anap Brasil vol 12 DOI httpdxdoiorg10172711984324081220151138 Centro de Referência para as Energias Solar e Eólica Sérgio de S Brito CRESESB Disponível em httpwwwcresesbcepelbrindexphpdata Acesso em 27 de abril de 2023 COPETTI Jacqueline Biancon MACAGNAN Mario Henrique Baterias em sistemas solares fotovoltaicos In Congresso Brasileiro de Energia SolarCBENS 2007 COSTA Raycam Evaristo de Oliveira et al O uso de placas fotovoltaicas uma revisão bibliográfica 2020 FRANCHI Claiton Moro Inversores de frequência teoria e aplicações Saraiva Educação SA 2009 ENERGIA EÓLICA PUC RIO 2020 Disponível em httpswww2dbdpucriobrpergamumtesesabertas09213922012cap2pdf Acesso em 30 de abril de 2023 GONSALVES E P Iniciação à pesquisa científica 3 ed Campinas Alínea 2003 Matriz Energética e Elétrica EPE Disponível em httpswwwepegovbrptabcdenergiamatrizenergeticaeeletrica Acesso em 30 de abril de 2023 28 NEVES J A M 2021 Os impactos na educação do programa luz para todos no sul do Brasil Brazilian Journal of Development Curitiba v7 DOI1034117bjdv7n5 524 Procura por energia solar no Brasil aumentou mais de 50 na pandemia ABSOLAR 21 de janeiro de 2021 Disponível em httpswwwabsolarorgbrnoticiaprocuraporenergiasolarnobrasilaumentoumai sde50napandemia Acesso em 25 de abril de 2023 PINHO J T Galdino M A 2014 Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos PINTO Lucía Iracema Chipponelli MARTINS Fernando Ramos PEREIRA Enio Bueno O mercado brasileiro da energia eólica impactos sociais e ambientais Revista Ambiente Água v 12 p 10821100 2017 PORTAL DO SOL 12 de setembro de 2019 A Energia Solar fotovoltaica no Brasil httpswwwportalsolarcombrblogsolarenergiasolaraenergiafotovoltaicanobrasi lhtml Acesso em 20 de abril de 2023 SARNAMENTO R A Moraes R M Pinheiro de Viana R T Pessoa V M Carneiro F F 2015 Determinantes Sócio ambientais e Saúde o Brasil Rural versus o Brasil Urbano Tempus Actas de Saúde Coletiva Vol 9 DOI httpsdoiorg1018569tempusv9i21718 SCHRAM I B 2019 SENSIBILIDADE DO CUSTO DA ENERGIA ELÉTRICA FOTOVOLTAICA NO BRASIL UTILIZANDO O MÉTODO DE MONTE CARLO Dissertação de mestrado Universidade Estadual do Oeste do Paraná Biblioteca Digital de Teses e Dissertações SCHNEIDER F 209 SENSIBILIDADE DO CUSTO DA ENERGIA ELÉTRICA 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UNIVERSIDADE FEDERAL DA GRANDE DOURADOS FACULDADE DE ENGENHARIA ENGENHARIA DE ENERGIA MATEUS CHRISTOVAM SILVA TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO ENERGIA FOTOVOLTAICA E EÓLICA FORA DA REDE PARA COMUNIDADE ISOLADA DOURADOS 2023 ALUNO TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO ENERGIA FOTOVOLTAICA E EÓLICA FORA DA REDE PARA COMUNIDADE ISOLADA Trabalho de conclusão de curso apresentado à Faculdade de Engenharia da Universidade Federal da Grande Dourados como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro de Energia Orientador Prof Dr Orlando Moreira Júnior DOURADOS 2023 FICHA CATALOGADA MATEUS CHRISTOVAM SILVA TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO ENERGIA FOTOVOLTAICA E EÓLICA FORA DA REDE PARA COMUNIDADE ISOLADA Trabalho de conclusão de curso aprovado como requisito parcial para a obtenção do título de Bacharel em Engenharia de Energia da Faculdade de Engenharia da Universidade Federal da Grande Dourados pela comissão formada por ORIENTADORES AGRADECIMENTOS RESUMO Atualmente a humanidade é dependente de energia elétrica e a tendência é que essa dependência só cresça Boa parte dos recursos utilizados hoje para a produção de energia são limitados Sendo assim a busca por fontes renováveis e limpas pode ser uma alternativa para evitar uma eventual crise Nesse cenário a energia solar e eólica chamam a atenção devido a relativa facilidade em se implantar sistemas de pequeno porte dessa categoria Quando utilizado um banco de baterias esse sistema pode atuar de forma independente da rede e desse modo suprir regiões carentes de energia ou com baixa qualidade dela Esse trabalho traz um estudo para implementação de um sistema fora de rede onde metade da demanda é suprida por energia fotovoltaica e a outra metade por energia eólica Os aerogeradores componentes do sistema eólico representam um gasto elevado e isso pode ser uma das justificativas para a maior popularidade do sistema fotovoltaico em geral Palavraschave energia eólica energia fotovoltaica rede ABSTRACT Currently humanity is dependent on electricity and the trend is that this dependence will only grow Most of the resources used today for energy production are limited Therefore the search for renewable and clean sources can be an alternative to avoid a possible crisis In this scenario solar and wind energy draw attention due to the relative ease of implementing small systems of this category When a bank of batteries is used this system can act independently of the grid and in this way supply regions lacking in energy or with low energy quality This work presents a study for the implementation of an offgrid system where half of the demand is supplied by photovoltaic energy and the other half by wind energy Wind turbines components of the wind system represent a high expense and this may be one of the reasons for the greater popularity of the photovoltaic system in general Keywords wind energy photovoltaic energy network SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO 09 11 Justificativa 10 12 Objetivos 10 121 Objetivo Geral 10 122 Objetivos Específicos 10 2 METODOLOGIA 10 3 CENÁRIO ENERGÉTICO ATUAL 11 4 ENERGIAS RENOVÁVEIS 11 41 Energia Solar 11 411 Placas Fotovoltaicas 14 412 Inversores de Frequência 15 413 Baterias 15 42 Energia Eólica 15 421 Aerogeradores 17 43 Energia Elétrica na Zona Rural 20 5 ESTUDO DE CASO 21 51 Localização da Comunidade 21 52 Levantamento de Carga 22 53 Dimensionamento Fotovoltaico 23 531 Dimensionamento do Banco de Baterias 23 532 Dimensionamento dos Painéis 23 5321 Irradiação Local 24 5322 Escolha das Placas 24 533 Dimensionamento do Inversor 25 54 Dimensionamento Eólico 25 6 RESULTADOS 25 7 CONCLUSÃO 26 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 27 9 1 INTRODUÇÃO A procura mundial de alternativas para uma geração de energia barata limpa e eficiente é evidente nos dias de hoje O aumento da demanda energética justifica a busca pela ampliação da matriz O desenvolvimento populacional e o maior consumo de produtos que demandam energia elétrica explicam esse crescimento No Brasil essa situação não é diferente Na década de 70 por exemplo o consumo de energia elétrica era de 39660TWh EPE 2006 já em 2018 o consumo foi de 475237TWh EPE 2021 Desse modo é importante avaliar o sistema energético brasileiro e buscar alternativas que possam suprir uma possível necessidade futura O Brasil possui uma forte dependência da energia proveniente de hidrelétricas sendo elas responsáveis por aproximadamente 652 da geração de energia no país BEN 2018 Portanto a energia brasileira é dependente de construções que demandam características específicas para a geração ficando evidente a necessidade da busca por fontes alternativas de energia Nesse contexto a energia fotovoltaica aparece como uma possível alternativa uma vez que o Brasil apresenta um dos maiores potenciais fotovoltaicos do mundo PORTALSOLAR 2019 Esse potencial vem sendo aproveitado cada vez mais e mesmo durante o período da pandemia a energia fotovoltaica obteve um crescimento de 50ABSOLAR 2021 Outra fonte de energia alternativa a energia de hidrelétricas é a energia eólica Apesar de em números absolutos ela ainda representar uma menor participação na matriz energética brasileira o uso dessa energia vem crescendo Isso é justificado pois assim como a energia fotovoltaica ela é considerada como renovável e apesar dos impactos ambientais existentes em sua produção podese dizer que é uma energia limpa quando comparados a outros meios convencionais como as termoelétricas Atualmente a energia fotovoltaica e eólica podem ser implementadas de forma integrada com a rede de forma isolada ou híbrida O sistema isolado também chamado de off grid é especialmente recomendado para áreas rurais que mesmo quando são atendidas por concessionárias possuem problemas com a qualidade Viana et al 2017 A questão da energização da zona rural atinge também uma questão social uma vez que é um ambiente socialmente fragilizado que possui 10 além de grandes propriedades da agroindústria pequenos produtores locais Schneider 2019 11 Justificativa A crescente demanda por energia elétrica juntamente com o potencial limitado dos principais recursos utilizados atualmente fazem com que a busca por energias consideradas renováveis e limpas seja uma questão prioritária Somado a isso a falta de qualidade ou até mesmo a não existência do suprimento de energia para regiões isoladas tornam a utilização de fontes renováveis com baterias os chamados sistemas off grid a solução ideal para a busca de qualidade de vida 12 Objetivos 121 Objetivo Geral Como objetivos geral esse trabalho apresenta Dimensionar um sistema fora da rede fotovoltaico e eólico para uma comunidade isolada 122 Objetivos Específicos Os objetivos específicos deste trabalho se concentram em Levantar os principais pontos a respeito da energia fotovoltaica e eólica Quantificar a demanda energética de uma região isolada Estipular os gastos financeiros para a implementação de um projeto fotovoltaico e eólico na região de referência 2 METODOLOGIA Essa pesquisa pode ser classificada como qualiquantitativa pois propõe através do uso de variáveis mensurar uma proposta de investimento e classificála como viável ou não entretanto essas variáveis possuem um caráter qualitativo como por exemplo a questão ambiental que necessita da interpretação do autor Tratase também de uma pesquisa experimental pois busca avaliar financeiramente por meio de estimulações caso um projeto fotovoltaico e eólico fossem aplicados e segundo Gonsalves esse tipo de pesquisa procura evidenciar as relações entre os fatos e as teorias Em relação ao levantamento de dados pode 11 ser considerada uma pesquisa bibliográfica pois utiliza materiais anteriores para obter informações segundo Menezes et al essa pesquisa utiliza fontes bibliográficas ou material elaborado como livros publicações periódicas artigos científicos impressos diversos ou ainda textos extraídos da internet 3 CENÁRIO ENERGÉTICO ATUAL Atualmente a oferta da energia elétrica brasileira diferentemente da mundial vem na sua maioria de fontes de energia renováveis Em 2018 a geração de centrais de serviços públicos somada a autoprodutores foi de 6014 TWh sendo as centrais se serviço público responsável por 832 dessa geração Importações em 2018 são de valores de 350TWh resultando em uma oferta interna de energia elétrica de 6344TWhEPE 2020 A figura 1 Mostra a fonte da Matriz Energética Elétrica Brasileira em 2021 Figura 1 Fonte da Matriz Energética Elétrica Brasileira Fonte EPE 2021 4 ENERGIAS RENOVÁVEIS 41 Energia Solar 12 A vida no planeta Terra é totalmente dependente do Sol além de aquecer a superfície terrestre ele é responsável pela energia na Terra sendo fundamental na formação de matéria orgânica O Sol propicia calor e potência Schneider 2019 A energia solar pode ser aproveitada para a geração de energia elétrica ou térmica Pinho 2014 Uma das formas de se aproveitar a energia térmica do sol é por meio de placas solares para aquecimento de água podendo assim dispensar ou minimizar o uso da eletricidade em chuveiros Outro modo é por meio das usinas heliotérmicas As usinas heliotérmicas funcionam de modo semelhante às usinas termoelétricas uma fonte de calor aquece a água que movimenta turbinas gerando energia mecânica Assim essa energia mecânica se transforma em energia elétrica Schram 2019 As usinas heliotérmicas entretanto não são uma forma usual de se obter energia elétrica por meio do Sol Nesse sentido as placas solares que fazem uso do efeito fotovoltaico se mostram mais práticas A energia fotovoltaica é baseada no efeito fotovoltaico Esse efeito explicado pela primeira vez Edmond Becquerel no século XIX consiste no surgimento de uma diferença de potencial na extremidade de um semicondutor quando este está exposto à incidência da luz solar Mas foi somente na década de 1950 que a primeira célula fotovoltaica realmente efetiva foi construída O sistema fotovoltaico pode atualmente ser instalado de duas maneiras conectado à rede on grid ou isolado a rede off grid No primeiro sistema o consumidor ainda é dependente da concessionária de energia e deve seguir os padrões estabelecidos por ela o projeto fotovoltaico normalmente é feito visando suprir o consumo total de energia elétrica Entretanto esse projeto pode ser dimensionado de modo a suprir somente de forma parcial o consumo uma vez que o sistema ainda está conectado à rede de energia elétrica ele pode se beneficiar da energia vinda da concessionária Ou seja em momentos quando ocorre um aumento da demanda ou queda de geração no sistema fotovoltaico não há risco de falta pois ainda podese recorrer a rede de energia elétrica Caso ocorra um excesso de produção o consumidor pode utilizar desse excesso como crédito na 2 concessionária por meio de crédito esses créditos possuem a validade de três anos Boso et al 2015 13 O segundo sistema off grid corresponde ao sistema que não tem conexão com a concessionária Ou seja toda geração e consumo é independente daquilo que é oferecido pela concessionária local Nesse sistema a geração de energia elétrica deve ser projetada para suprir toda a demanda de energia pois o que é consumido é aquilo que é gerado Ou seja não há uma conexão externa com outra fonte de energia Desse modo é particularmente interessante o projeto de um sistema fotovoltaico fora da rede que considere toda a demanda e um possível acréscimo dela Esse sistema apresenta a vantagem de poder ser utilizado em regiões remotas ou quando há um mal atendimento da concessionária pois o consumidor assim tornase independente O sistema off grid é composto por quatro elementos as placas solares os inversores as baterias e os controladores de carga O esquemático dos componentes de um sistema fotovoltaico independente da rede pode ser visto na figura 2 Figura 2 Sistema off grid Fonte Portal do Sol 2015 O funcionamento desse sistema fotovoltaico consiste na utilização dos módulos placas solares para obter e converter a energia solar em energia elétrica As baterias que têm a função do armazenamento da energia elétrica o regulador de carga também conhecido como controlador de carga é projetado para proteger as baterias contra o excesso de carga ou descargas profundas Lopes 2014 E por último os inversores que possuem a finalidade da conversão da tensão contínua em tensão alternada 14 Há equipamentos que fazem uso da energia na sua forma contínua podendo portanto serem conectados sem o auxílio do inversor Mas a maioria dos equipamentos disponibilizados comercialmente trabalham com a energia de forma alternada 411 Placas Fotovoltaicas As placas fotovoltaicas e painéis solares são feitas da junção de duas placas de silício material semicondutor encontrado em grande abundância na natureza O silício para a fabricação das placas tem que apresentar uma pureza de quase 100 e depois passar por uma etapa de corte e dopagem Nesta etapa de dopagem geralmente se adiciona Fósforo formando uma placa tipo N com elétrons livres pois o fósforo possui 1 elétron a mais na sua camada de valência em relação ao silício e na outra placa se adiciona o Boro que possui 1 elétron a menos na camada de valência deixando a placa tipo P com lacunas COSTA 2020 As placas mais comuns de serem encontradas são as Monocristalinas Policristalinas e as Amorfas A figura 3 mostra um exemplo de placa fotovoltaica comercial com seus componentes Figura 3 Placa Fotovoltaica Comercial Fonte Costa 2020 15 412 Inversores de Frequência Os inversores de frequência são responsáveis por captar a geração CC corrente contínua produzida pelas placas fotovoltaicas e transformálas em CA corrente alternada E também o inversor é responsável por medir a energia gerada manter a segurança e sincronia do sistema Os inversores são dimensionados através da potência dos painéis e da tensão gerada pelos painéis ligados em série FRANCHI 2009 A figura 4 mostra um exemplo de inversor de frequência comercial Figura 4 Inversor de Frequência Comercial Fonte FRANCHI 2009 413 Baterias São componentes dispensáveis no sistema dentro da rede e de extrema importância para os projetos fora uma vez que são responsáveis por armazenar energia Nas baterias a energia elétrica é convertida em energia química Há diversos tipos de baterias disponíveis no mercado e segundo Copetti2007 independente das características construtivas específicas esta bateria envolve os materiais ativos chumbo Pb e óxido de chumbo PbO2 nas placas e ácido sulfúrico H2SO4 como eletrólito 42 Energia Eólica O uso da energia eólica é anterior ao uso da energia elétrica Isso é devido ao uso marítimo uso para bombeamento e de moinhos Em 1888 houve a criação do 16 primeiro catavento com objetivo de fornecer eletricidade Antes e durante a primeira e segunda guerra mundial a energia elétrica eólica ocupava papel de destaque devido a facilidade de obter o seu recurso principalvento enquanto recursos fósseis estavam escassos Na Holanda em 1911 ela era responsável por 11 da matriz energéticaPUC RIO 2020 O uso da energia eólica para geração de eletricidade é possível graças aos ventos Os ventos são resultados do deslocamento de ar Esse deslocamento de ar ocorre devido à diferença de temperatura e por consequência à densidade entre o ar Isso é quando o ar é aquecido ele se expande e se desloca para regiões superiores O ar menos quente então se desloca para ocupar esse espaço A partir disso a construção de pares que giram devido ao vento quando conectadas a um gerador permitem a geração de energia elétricaAZEVEDO 2017 Como a energia eólica é dependente dos ventos é fundamental conhecer o potencial energético da região para saber se a instalação de uma usina eólica é viável ou não na região O Brasil possui um potencial total estimado de geração de 272 TWhano entretanto esse potencial não é distribuído de forma uniforme As regiões litorâneas devido a questões geográficas possuem um potencial mais elevado que as outrasPINTO et al 2017 A figura mostra o potencial energético eólico estimado em diferentes regiões do país 17 Figura 5 Potencial Eólico no Brasil Fonte Amarante et al 2021 Os componentes fundamentais de uma usina eólica fora da rede constituem aerogeradores e componentes semelhantes ao de uma usina fotovoltaica como inversores e banco de baterias 421 Aerogeradores Aerogeradores são elementos capazes de converter a energia mecânica dos ventos em energia elétrica Eles são compostos por sete componentes fundamentais Sendo eles 1 Torre compreende a conexão para a fundação e pode ser feita de diversos materiais e possuir diferentes alturas A figura 6 mostra a torre de um aerogerador Figura 6 Torre de Aerogerador 18 Fonte Energes 2020 2 Pás são os componentes que giram por meio da ação do vento A figura 7 mostra o exemplo de uma pá de aerogerador Figura 7 Pás de Aerogerador Fonte Energês 2020 3 Rotor fixam as pás e acionam o giro para obter o melhor ângulo Um rotor de aerogerador pode ser visto na Figura 8 Figura 8 Rotor de Aerogerador 19 Fonte Energês 2020 4 Eixo Componente que transmite a energia que foi gerada pelas pás para o gerador A figura 9 mostra um exemplo de eixo aerogerador Figura 9 Eixo de Aerogerador Fonte Energês 2020 5 Multiplicador conjunto de engrenagens que pode aumentar as rotações até a especificada para o gerador A figura 10 mostra um exemplo desse componente Figura 10 Multiplicador de Aerogerador 20 Fonte Energês 2020 6 Gerador é o elemento em si capaz de gerar energia elétrica pode ser de diversos tipos como síncrono ou assíncrono Entretanto o princípio segue o mesmo A figura 11 mostra um exemplo de gerador em aerogerador Figura 11 Gerador de Aerogerador Fonte Energês 2020 7 Carcaça elemento responsável por proteger toda estrutura 43 Energia Elétrica na Zona Rural A zona rural tem importância significativa no Brasil Além de ser responsável por abrigar cerca de 1528 PNAD 2015 da população o agronegócio 21 corresponde em 2019 a 214 do PIB ou 155 trilhão CNA 2019 Apesar da relevância da zona rural ela é ainda marcada por intensa desigualdade e muitas vezes descaso do poder público Essa situação refletese no acesso a serviços básicos como insuficiência do sistema de esgoto e do abastecimento de água Sarnamento et al 2015 Para a energia elétrica chegar em residências indústrias e estabelecimentos comerciais é necessário um processo que vai desde a geração transmissão e distribuição da energia Por razões econômicas o fornecimento de energia elétrica na zona rural é historicamente mais instável que o de zona urbana Entretanto para mitigar os efeitos da falta de energia elétrica nesse meio e o possível fluxo da população para as cidades o chamado êxodo rural o Governo Federal por meio do estado e municípios tenta fortalecer o campo dentro dessas iniciativas destacase o Programa Nacional de Universalização do Acesso e Uso da Energia Elétrica Luz Para Todos PLT Neves 2021 Anteriormente ao PLT propriedades que não eram atendidas pelas concessionárias de energia elétrica ou permaneciam sem o uso dessa tecnologia ou recorriam a meios da própria produção de eletricidade Um dos mecanismos que podem ser utilizados são os geradores a diesel Os geradores a diesel são baseados no princípio da conversão da energia presente no combustível em energia mecânica e posteriormente a conversão dessa em energia elétrica Scheneider 2019 Apesar 4 da possibilidade do uso desse gerador ele é responsável pela emissão de poluentes e pela intensificação do efeito estufa Roso et al 2016 5 ESTUDO DE CASO 51 Localização da Comunidade O projeto será feito com base na Comunidade Santa Ametista localizada em Santa Catarina As coordenadas geográficas do local são 27º5406 ao sul e 48º4156 a oeste A Figura 12 mostra a visão da comunidade pelo google maps Figura 12 VIsta da Aldeia Santa Ametista 22 Fonte Google Maps 2023 52 Levantamento de Carga Para o dimensionamento do sistema serão consideradas as cargas mostradas no Quadro 1 Além delas será considerado uma margem de folga para futuras ampliações de 100 Quadro 1 Cargas do Projeto Quantidade Descrição PotênciaW Horas ligadodia Consumo kWhMês 42 Lâmpadas Led 10 12 1512 2 Motores 7500 2 900 2 Chuveiros 4500 1 270 6 Refletor Led 50 8 72 2 Caixa de som 100 1 6 1 Máquina de Lavar 800 4 96 1 Geladeira 250 24 180 10 TUEs 100 3 90 17652 23 Margem de Folga Total 35304 Fonte Próprio Autor 2023 53 Dimensionamento Fotovoltaico Será estipulado que o sistema fotovoltaico suprirá 50 do projeto 531 Dimensionamento do Banco de Baterias Considerando o consumo de 353040 kWhmês temos que o consumo diário mês de 30 dias é igual a 11768 kWhdia Para o armazenamento no banco de baterias será considerada uma eficiência de 90 do inversor e 90 do próprio banco Sendo assim a energia necessária En em kWhdia para dimensionamento considerando o inversor é de I 𝐸𝑛 117 68 0 9 0 9 145 28 𝑘𝑊ℎ Para o sistema será considerada uma autonomia de 1 dia A profundidade de descarga é de 30 Assim a energia armazenadaEa pelo banco deverá ser de II 𝐸𝑎 145 280 3 384 27 𝑘𝑊ℎ A capacidade do banco de baterias CB é dada pela razão da energia armazenada pela tensão do banco de baterias Serão consideradas baterias 6 baterias em série de 12V cada Assim 𝐶𝑏 384 2772 5 337 𝑘𝐴ℎ III Será considerada a bateria Bateria Solar Fulguris OPzS 500Ah Nesse caso a quantidade de baterias necessáriasQb é obtida pela razão entre Cb e a capacidade de cada bateria IV 𝑄𝑏 5 3370 5 10 67 Serão consideradas então 11 conjuntos de baterias em série Dessa maneira o total de baterias é igual a 132 532 Dimensionamento dos Painéis Conforme calculado no item anterior a energia diária a ser produzida vale 14528 kWh Além da potência diária para dimensionar os painéis é necessário 24 saber a irradiação local e a escolha do modelo de placa No projeto será considerado um controlador de carga com MPPT 5321 Irradiação Local A irradiação local foi obtida por meio do banco de dados do CRESESBCentro de Referência para as Energias Solar e Eólica Sérgio de S Brito Os valores foram obtidos por meio das coordenadas de referência 27º5406 ao sul e 48º4156 a oeste Será considerado o plano inclinado e o pior cenário de irradiaçãoque ocorre em junho Desse modo a irradiação considerada foi de 364 kWm²dia 5322 Escolha das Placas Será considerado como referência o painel fotovoltaico da Resun RS6E150 150WP Os dados sobre esse modelo são apresentados no quadro 2 Quadro 2 Características do Painel Larguramm 666 Alturamm 1487 Áream² 09903 Rendimento 1529 Tensão 18V Fonte Resun 2023 A energia obtida diariamente por cada placaEDP é dada por V 𝐸𝐷𝑃 𝐼𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 𝐴 𝑛 Onde Isolar Irradiação solar do local A Área da placa n Eficiência Desse modo VI 𝐸𝐷𝑃 3 64 0 9903 0 1529 VII 𝐸𝐷𝑃 0 5512 𝑘𝑊ℎ 𝑑𝑖𝑎 O número de placas Np necessárias é dado pela razão do consumo diário e da energia obtida diariamente por placa VIII 𝑁𝑝 145 280 5512 263 57 25 Para saber o número exato de placas devese considerar que a tensão de cada segmento deve ser pelo menos 25 maior que a tensão do banco de baterias dessa maneira a tensão deve ser de no mínimo 90V Sendo assim serão necessários 5 módulos em série Será adotado então 265 placas sendo 5 em série para cada conjunto e 53 conjuntos em paralelo 533 Dimensionamento do Inversor Considerando o fornecimento diário de 14528kWh temos que a potência média pode ser obtida por esse número dividido pelas 24 horas do dia Assim a potência do sistema é de 605kW Será considerado o inversor de onda senoidal pura IP150012 de 1200W Assim a quantidade de inversoresQi necessários é de IX 𝑄𝑖 6 051 2 5 42 Assim serão adotados 6 inversores 54 Dimensionamento Eólico Seŕa considerado como referência o aerogerador AIR BREEZE LAND Esse aerogerador produz 133 kWhdia a um vento de 5ms Sendo assim o número de aerogeradoresNa necessários para suprir a demanda pode ser obtido pela razão entre a potência demanda diária e a potência de cada aerogerador X 𝑁𝑎 117 681 33 88 48 Assim serão adotados 89 Aerogeradores O número de baterias e de inversores devido a similaridade de potência entre o eólico e fotovoltaico serão os mesmos do sistema fotovoltaico ou seja 132 e 6 respectivamente 6 RESULTADOS O Quadro 3 mostra os materiais escolhidos para a montagem dos dois sistemas Juntamente é apresentado uma estimativa de valores dos produtos com base em busca do autor Quadro 3 Dados dos Projetos Quantidade Item Descrição Modelo Valor Unitário Total 26 89 Aerogerador AIR BREEZE LAND R 690000 R 61410000 6 Inversor IP150012 de 1200W R 209900 R 1259400 265 Placa Solar Resun RS6E150 R 39637 R 10503805 264 Bateria Bateria Fulguris OPzS 500Ah R 150000 R 39600000 Total R 112773205 Fonte Próprio Autor 2023 7 Conclusão É inegável o aumento da necessidade humana por energia dessa forma a busca por novas fontes de energia é sempre bem vinda Apesar da energia eólica e solar possuírem também problemas ambientais como relacionadas ao descarte dos seus materiais ainda assim pode ser considerada uma energia limpa devido ao seu menor impacto quando comparado a outras fontes tradicionais Além disso a característica de ser renovável é um grande ponto positivo uma vez que as tradicionais não o são e corre o risco de em um futuro próximo não conseguir suprir as necessidades humanas Apesar dessas vantagens o sistema solar e principalmente o eólico ainda não são tão acessíveis à população geral Isso é justificado devido a necessidade de um investimento e quando se trata de um sistema off grid ele ainda é encarecido devido às baterias Ainda assim esse tipo de sistema possui a sua vantagem relacionada a independência das concessionárias e em regiões isoladas isso pode ser particularmente vantajoso devido à qualidade da energia muitas vezes oferecida Além do preço dos componentes é preciso considerar que a instalação desse sistema seria ainda mais onerosa devido aos custos com profissional projetista profissionais de instalação e materiais não contabilizados Ademais há também o próprio custo de esforço uma vez que o fornecimento de energia pela concessionária é feito de forma mais simples não necessitando mudanças 27 Para trabalhos futuros sugerese a elaboração de uma comparação financeira a longo prazo de um sistema dentro e fora da rede e um atendido pela concessionária REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 7 COMPONENTES DO AEROGERADOR QUE VOCÊ PRECISA CONHECER ENERGES 07 de abril de 2020 Disponível em httpsenergescombrcomponentesaerogerador Acesso em 30 de abril de 2023 AMARANTE O A C BROWER M ZACK J DE SÁ A L Atlas do Potencial Eólico Brasileiro Brasília Ministério de Minas e Energia 2001 45 p AZEVEDO João Paulo Minardi DO NASCIMENTO Raphael Santos SCHRAM Igor Bertolino Energia eólica e os impactos ambientais um estudo de revisão Revista Uningá v 51 n 1 2017 BOSO A C M Gabriel C P C Filho L R A G 2015 ANÁLISE DE CUSTOS DOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ONGRID E OFFGRID NO BRASIL Revista Científica Anap Brasil vol 12 DOI httpdxdoiorg10172711984324081220151138 Centro de Referência para as Energias Solar e Eólica Sérgio de S Brito CRESESB Disponível em httpwwwcresesbcepelbrindexphpdata Acesso em 27 de abril de 2023 COPETTI Jacqueline Biancon MACAGNAN Mario Henrique Baterias em sistemas solares fotovoltaicos In Congresso Brasileiro de Energia SolarCBENS 2007 COSTA Raycam Evaristo de Oliveira et al O uso de placas fotovoltaicas uma revisão bibliográfica 2020 FRANCHI Claiton Moro Inversores de frequência teoria e aplicações Saraiva Educação SA 2009 ENERGIA EÓLICA PUC RIO 2020 Disponível em httpswww2dbdpucriobrpergamumtesesabertas09213922012cap2pdf Acesso em 30 de abril de 2023 GONSALVES E P Iniciação à pesquisa científica 3 ed Campinas Alínea 2003 Matriz Energética e Elétrica EPE Disponível em httpswwwepegovbrptabcdenergiamatrizenergeticaeeletrica Acesso em 30 de abril de 2023 28 NEVES J A M 2021 Os impactos na educação do programa luz para todos no sul do Brasil Brazilian Journal of Development Curitiba v7 DOI1034117bjdv7n5 524 Procura por energia solar no Brasil aumentou mais de 50 na pandemia ABSOLAR 21 de janeiro de 2021 Disponível em httpswwwabsolarorgbrnoticiaprocuraporenergiasolarnobrasilaumentoumai sde50napandemia Acesso em 25 de abril de 2023 PINHO J T Galdino M A 2014 Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos PINTO Lucía Iracema Chipponelli MARTINS Fernando Ramos PEREIRA Enio Bueno O mercado brasileiro da energia eólica impactos sociais e ambientais Revista Ambiente Água v 12 p 10821100 2017 PORTAL DO SOL 12 de setembro de 2019 A Energia Solar fotovoltaica no Brasil httpswwwportalsolarcombrblogsolarenergiasolaraenergiafotovoltaicanobrasi lhtml Acesso em 20 de abril de 2023 SARNAMENTO R A Moraes R M Pinheiro de Viana R T Pessoa V M Carneiro F F 2015 Determinantes Sócio ambientais e Saúde o Brasil Rural versus o Brasil Urbano Tempus Actas de Saúde Coletiva Vol 9 DOI httpsdoiorg1018569tempusv9i21718 SCHRAM I B 2019 SENSIBILIDADE DO CUSTO DA ENERGIA ELÉTRICA FOTOVOLTAICA NO BRASIL UTILIZANDO O MÉTODO DE MONTE CARLO Dissertação de mestrado Universidade Estadual do Oeste do Paraná Biblioteca Digital de Teses e Dissertações SCHNEIDER F 209 SENSIBILIDADE DO CUSTO DA ENERGIA ELÉTRICA FOTOVOLTAICA NO BRASIL UTILIZANDO O MÉTODO DE MONTE CARLO Dissertação de mestrado Universidade Estadual do Oeste do Paraná Biblioteca Digital de Teses e Dissertações

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