Otimização técnico-econômica de sistemas fotovoltaicos - PUC-Rio

Departamento de Engenharia Elétrica
Otimização técnico-econômica de sistemas fotovoltaicos com baterias
para armazenamento
Aluno: Maria Samara Nascimento Amorim
Orientador: Álvaro de Lima Veiga Filho
1. Introdução Geral
“Energia fotovoltaica é a energia do futuro”, afirma Eduardo Lana, gerente de
Planejamento da Light Esco, membro do grupo Light de comercialização de projetos de
eficiência energética. De fato, o Brasil se encontra em posição de destaque no campo de
investimento em aproveitamento da energia solar visto o país contar com enorme potencial de
produção de energia fotovoltaica (280 dias de sol por ano) [1].
Segundo análise divulgada pelo Deutsche Bank alemão, a energia gerada pelas placas
solares pode ser competitiva sem nenhum subsídio do governo a partir do final deste ano. Tais
estudos foram baseados na atual queda de preços e demanda de energia solar na Índia, China,
no Reino Unido, Alemanha e Estados Unidos. No Brasil, cidadãos podem contar com o
Sistema de Compensação, implementado pela Resolução 482 ANEEL.
2. Objetivos
Pretendeu-se com o atual projeto modelar a produção de energia elétrica da PUC-Rio por
painéis fotovoltaicos implementados na área de cobertura da faculdade. Tal sistema conectado
à rede de distribuição pública deveria cobrir a demanda de energia da instituição de maneira a
evitar os picos de energia além do permitido pelo grupo LIGHT.
3.
Metodologia
3.1. Estimativa do Consumo de Energia da PUC-Rio
A geração de energia depende da demanda da mesma; logo, foi realizada uma
estimativa da média de energia consumida total e diariamente na PUC-Rio para poder realizar
a modelagem do sistema fotovoltaico que atendesse aos objetivos deste projeto.
O consumo de energia calculado trata-se da potência elétrica consumida com suas
devidas cargas em certo período de tempo por cada aparelho considerado na
região/estabelecimento. Esse valor de potência é encontrado nos próprios aparelhos e o
consumo de energia seria a máxima potência que um aparelho pode necessitar. Esse valor é
geralmente encontrado nos próprios aparelhos ou pode ser estimado pela medição do
consumo da corrente (em ampères) e multiplicado pelo valor nominal do aparelho.
As cargas consumidas representam a maior influência sobre o tamanho e o custo de
um sistema PV e podem ser medidas em Wh ou kWh. O total de carga consumida por dia
depende do consumo de energia por aparelho, que pode ser estimada em kWh pela equação
3.1 abaixo:
Departamento de Engenharia Elétrica
Onde n representa a quantidade desse tipo de carga.
tipo de carga.
carga.
é o consumo de energia do
é o número de horas em que este utilitário é acionado por dia, consumindo
é número de dias em que esta carga é usada durante uma semana. O total de
kWh/dia de todas as cargas é obtido pelo somatório do consumo das cargas individuais como
na equação 3.2, abaixo.
Onde kWh Total/dia é o somatório dos consumos individuais com um consumo de
carga em kWh/dia e para calcular a carga anual, aplica-se a fórmula a seguir:
Objetivando calcular a potência total instalada ou, em outras palavras, a potência
máxima consumida se todos os aparelhos elétricos fossem ligados ao mesmo tempo, aplica-se
o somatório de todos os
de todas as cargas i.
Nesse projeto, foi considerado o consumo de energia elétrica da PUC-Rio como o
valor nominal de potência1 medida pela LIGHT.
3.2. Visão Geral do Dimensionamento do Sistema
Foi realizada a simulação de geração de energia solar por painéis fotovoltaicos
implementados na PUC-Rio que contribuísse para a diminuição dos custos de eletrificação da
instituição.
O dimensionamento dos painéis fotovoltaicos buscou maximixar o seu uso de modo a
viabilizar economicamento o conjunto e cobrir a demanda de energia elétrica da universidade.
3.3. SAM (System Advisor Model)
O software utilizado para realizar simulações de geração de energia elétrica é um
software de modelização desenvolvido pelo Laboratório Nacional de Energia Renovável
(NREL) e Laboratório Nacional Sandia (SNL), em parceria com o Departamento de Energia
dos EUA do Programa de Tecnologias de Energia Solar (SETP). O SAM fornece um quadro
coerente para analisar e comparar os custos do sistema de potência, desempenho e economia
em toda a gama de tecnologias de energia solar e mercados.
1
Potência é a energia concedida por uma fonte a cada unidade de tempo; logo,
com esse valor têm-se a demanda de energia elétrica da PUC-Rio.
Departamento de Engenharia Elétrica
Através de modelizações em bases horárias, diárias, mensais e anuais, o SAM permite a
análise da quantidade de energia elétrica produzida pela implementação de painéis solares em
quaisquer territórios ao longo do planeta, apenas com os dados do TMY do território.
3.4. Área de Instalação dos Painéis Solares
Foi estimada a área da PUC-Rio que poderia ser coberta por painéis para a produção de
energia solar. As áreas mais expostas à radiação solar são os prédios Kennedy e Frings, Leme
e RDC nas figuras 1, 2 e 3, respectivamente.
Figura 1. Prédios Kennedy e Frings (área 1)
Departamento de Engenharia Elétrica
Figura 2. Prédio Leme (área 2)
Figura 3. Prédio RDC (área 3)
Estudou-se três possibilidades de implementação de painéis solares na PUC-Rio.
Primeiramente, fez-se a simulação da energia solar produzida com a cobertura da área que
envolvesse os três prédios juntos da universidade. Em seguida dois e, finalmente, apenas um.
Departamento de Engenharia Elétrica
As áreas calculadas e inseridas no SAM encontram-se na tabela 1 a seguir:
Tabela 1. Área dos prédios
Prédios
Área em m2
Área em acres
Todos
6362,142
1,57
Kennedy e Frings, Leme
5700,05
1,41
Leme
3572,74
0,883
Os dados acima foram inseridos no SAM em “Total Land Area” para o cálculo da
produção da energia solar produzida pelos painéis solares, como mostra o exemplo da figura
4.
Figura 4. Exemplo de inserção de dado de área coberta
Pretendeu-se estudar a influência na produção de energia solar ao diversificar a área
coberta por painéis solares.
3.5. Recursos Solares da PUC-Rio
O recurso solar é um fator determinante do quanto será a produção de energia a partir
de um sistema fotovoltaico. Por se encontrar no seio do Rio de Janeiro, a PUC-Rio conta com
um campo de enorme potencial de produção de energia fotovoltaica.
O ano meteorológico típico (TMY) foi obtido no site da U.S. Department of Energy
através de um software de simulação da radiação solar em diversos países, o EnergyPlus
Energy Simulation Software [3].
Para realizar as modelizações, foi preciso usar os dados do TMY fornecidos pelo site
acima citado e embaixo exemplificados na figura 5.
Figura 5. Dados para a inserção do TMY da região da PUC-Rio.
Departamento de Engenharia Elétrica
3.6. Módulos Fotovoltaicos
Um módulo fotovoltaico é composto de células fotovoltaicas interligadas e encapsuladas
entre uma cobertura à prova de intempéries (geralmente de vidro) e placa traseira (geralmente
um plástico laminado). Ela também terá um ou mais protetores de diodos de passagem. Os
terminais de saída, seja em uma caixa de junção ou em forma de cabos de saída, estarão
localizados na parte de trás. A maioria tem frames e aqueles que não têm frames, são
chamados laminados. Em alguns, a placa traseira também é de vidro, que dá uma maior taxa
de fogo, mas quase duplica o peso [2].
As células nos módulos estão conectadas em uma configuração projetada para oferecer
uma tensão útil e uma corrente nos terminais de saída. Células ligadas em série aumentam a
tensão de saída, enquanto as células ligadas em paralelo aumentam a corrente. Um grupo de
vários módulos PV que estão ligados entre si, são chamados de painel solar [2].
O módulo de referência proposto pelo SAM é o SunPower SPR-210-BLK-U. Segue
exemplificação de suas características na figura 6.
Figura 6. Característica do módulo fotovoltaico de referência utilizado no SAM
4.
Resultados e Discussões
Ao realizar as simulações da energia solar gerada pelas três áreas propostas (área total
composta pelos três prédios, área composta por dois prédios e área constituída por apenas um
dos prédios da universidade), pouca diferença na produção de energia solar foi notada.
Portanto, esse estudo apresenta sua análise embasada nos resultados da produção de energia
solar proveniente da área total dos prédios da PUC-Rio.
De acordo com a simulação realizada no SAM, a energia solar produzida pela área total
de prédios da PUC seria 4058 kWh por ano. Mensalmente, a geração de energia solar se
apresenta conforme gráfico da figura 7, abaixo.
Departamento de Engenharia Elétrica
Figura 7. Produção mensal de energia solar na PUC
Igualmente, o modelo nos apresenta uma estimativa de 17,5 anos para que o retorno do
investimento aplicado nos painéis fotovoltaicos comece a dar lucro, o que é considerado
razoável uma vez que a durabilidade da tecnologia solar ultrapassa em muito esse período de
tempo.
A tabela de resultados fornecida pelo modelo se apresenta na figura 8, abaixo.
Figura 8. Tabela de resultados fornecidos pelo SAM
Para realizar a análise final do projeto, utilizamos os dados da demanda de energia
elétrica da PUC-Rio durante o ano de 2011 a fim de se estimar a contribuição da energia solar
gerada pelos painéis implementados. Seguem os valores no gráfico da figura 9.
Departamento de Engenharia Elétrica
Figura 9. Consumo mensal de energia elétrica da PUC-Rio em 2011.
O consumo anual de energia elétrica da PUC-Rio no ano de 2011 foi 37566,8 kWh. Se o
sistema de energia solar estivesse já nesse ano implementado, por exemplo, a redução na
demanda de energia da universidade seria de 4058 kWh; ou seja, 10,8%.
5.
Conclusões
Através da simulação computacional de geração de energia solar, foi possível
determinar que a implementação de um sistema fotovoltaico na PUC-Rio reduziria em 10,8 %
sua demanda de energia elétrica.
A energia solar é um meio viável e limpo de se produzir energia elétrica. As vantagens
de se investir nesse tipo de tecnologia ultrapassa o campo de benefícios econômicos. As
instituições preocupadas com o meio ambiente, bem como a PUC, farão muito bem em aceitar
a implementação de tecnologias como os sistemas fotovoltaicos, pois estarão contribuindo
não apenas para o desenvolvimento sustentável da universidade, mas também do país e de
todo o planeta.
6.
Referências
1. NETO, J. Energia solar é a aposta de grandes e pequenas empresas. Portal PUC-Rio
Digital.
Disponível
em
<http://puc-riodigital.com.puc-rio.br/Jornal/MeioAmbiente/Energia-solar-e-a-aposta-de-grandes-e-pequenas-empresas-12497.html>.
Acesso em 28 de fev. 2014.
2. CHANG C. Otimização técnico-econômica de um sistema híbrido fotovoltaico-
diesel com baterias para armazenamento, PUC-rio, 2012.
3. Disponível
em
<
http://apps1.eere.energy.gov/buildings/energyplus/weatherdata_about.cfm?CFID
=1371667&CFTOKEN=806178c38d7fc68c-0E3D32DA-CF46-F04F848A9E9B66331B76&jsessionid=5F08CD7676FEBC5B3F5ABB0E362C2AE1.
eere>.