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Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Departamento Acadêmico de Eletrotécnica
Curso de Engenharia Industrial Elétrica – Ênfase Eletrotécnica
Campus Curitiba
Rogério Rodrigues Monteiro
ANÁLISE TÉCNICA DA IMPLANTAÇÃO DE UM SISTEMA HÍBRIDO
EÓLICO-SOLAR PARA ALIMENTAR ERBs EM LUGARES ISOLADOS:
O CASO DA ESTAÇÃO ANTONINA/PR
CURITIBA
2007
Rogério Rodrigues Monteiro
ANÁLISE TÉCNICA DA IMPLANTAÇÃO DE UM SISTEMA HÍBRIDO
EÓLICO-SOLAR PARA ALIMENTAR ERBs EM LUGARES ISOLADOS:
O CASO DA ESTAÇÃO ANTONINA/PR
Monografia de Projeto Final apresentada
na Universidade Tecnológica Federal do
Paraná, curso de Engenharia Industrial
Elétrica – ênfase em Eletrotécnica, sob
orientação da Professora Maria de Fátima
R. Raia Cabreira, Dra. Eng.
CURITIBA
2007
Rogério Rodrigues Monteiro
ANÁLISE TÉCNICA DA IMPLANTAÇÃO DE UM SISTEMA HÍBRIDO EÓLICO-SOLAR PARA ALIMENTAR ERBs EM LUGARES ISOLADOS:
O CASO DA ESTAÇÃO ANTONINA/PR
Este Projeto Final de Graduação foi julgado e aprovado como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Eletricista pela Universidade
Tecnológica Federal do Paraná.
Curitiba, 04 de Junho de 2007.
____________________________________
Prof. Paulo Sérgio Walenia, Esp. Coordenador do Curso
Engenharia Industrial Elétrica – Eletrotécnica
___________________________________
Prof. Ivan Eidt Colling, Dr. Coordenador de Projeto Final de Graduação Engenharia Industrial Elétrica – Eletrotécnica
_____________________________________
Profa. Maria de Fátima R. R. Cabreira, Dra. Orientadora
_____________________________________
Prof. Álvaro Augusto de Almeida, Esp. Membro da Banca
_____________________________________
Prof. Ayres Francisco da Silva Soria, M.Sc. Membro da Banca
____________________________________
Prof. Carlos Henrique Karam Salata, Esp. Membro da Banca
_____________________________________
Prof. Márcio Aparecido Batista, Esp. Membro da Banca
AGRADECIMENTOS
Agradeço a todos aqueles que, de uma forma ou de outra, contribuíram para
a realização deste trabalho: colegas, professores e minha orientadora.
À minha família, que sempre esteve presente ao longo deste período em que
estivemos distantes fisicamente.
Ao meu pai e meus irmãos, que sempre apoiaram meus projetos de vida.
Por fim, à minha mãe, que me ensinou sempre que nada acontece por acaso
e que se temos um sonho ou uma meta a atingir, devemos batalhar e lutar muito
para que isso se torne realidade sempre agindo para o bem e valorizando as coisas
simples da vida.
“Não se deve engatinhar quem nasceu para voar”.
(Hellen Keller)
“A vida é como um espelho, devolve a cada um o reflexo de
seu entusiasmo, ações, pensamentos e crenças”.
(Maria Tereza Rodrigues Monteiro - Lelê)
RESUMO
Neste trabalho foi desenvolvido um estudo de um sistema híbrido que utiliza
duas formas de energia renováveis: eólica e solar, para alimentar uma Estação
Rádio Base - ERB na cidade de Antonina no Paraná. Devido ao fato desta Estação
estar localizada a 450m da rede de distribuição, foi-se necessário realizar uma
extensão de rede que demorou 2 meses para sua conclusão e, durante este tempo
de espera, utilizou-se um grupo motor-gerador para suprir a demanda do sistema.
Em vista desta situação, surgiu a idéia de mostrar uma nova alternativa para
alimentar ERBs em lugares isolados, através de um sistema híbrido. Para o correto
dimensionamento deste sistema, foi necessário estudar o consumo da ERB, analisar
os dados de velocidade média do vento fornecido pelo SIMEPAR e verificar os
dados de insolação média fornecidos pelo CRESESB, através do programa
SUNDACTA. Os recursos energéticos da região apresentaram valores abaixo da
média nacional e quanto menor o potencial energético maior será o custo de
implantação deste sistema híbrido. A partir destes dados, foi possível dimensionar
todos os componentes do sistema híbrido e fazer uma comparação em relação ao
sistema convencional de energia e o uso do grupo motor-gerador.
Palavras-chave: energia eólica, energia solar, painel fotovoltaico, sistema
híbrido, grupo motor-gerador.
RÉSUMÉ
Une étude a été développée, dans ce travail, portant sur un système hybride
qui utilise deux formes d'énergie renouvelable: l'éolique et le solaire, pour alimenter
une "Station Radio Base" dans la ville d'Antonina, dans l'Etat du Paraná. Cette
station étant située à 450m de la ligne de distribution, il a été nécessaire de réaliser
une extension de cette ligne. Les travaux ont duré 2 mois, un générateur diesel a
alors été utilisé pour répondre à la demande énergétique du système. Au vu de cette
situation, l'idée nous est venue de proposer une nouvelle alternative pour alimenter
des ERBs isolées, grâce à un système hybride. Pour dimensionner correctement le
système, il a fallu étudier la consommation de la station, analyser les données de
vitesse moyenne du vent fourni par le SIMEPAR et vérifier les données de radiations
solaires fournies par le CRESESB, grâce au programme SUNDACTA. Les
ressources énergétiques de la région ont présenté des valeurs en dessous de la
moyenne nationale et d'autant plus faible est ce potentiel énergétique, d'autant plus
grand sera le coût d'installation de ce système hybride. Il fût possible, à partir de ces
données, de dimensionner tous les composants du système hybride et de faire une
comparaison avec le système conventionnel d'énergie et l'utilisation du générateur
diesel.
Mots-clés: énergie éolique, énergie solaire, panneau photovoltaïque, système
hybride, groupe moteur-générateur.
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS
ANATEL Agencia Nacional de Telecomunicações
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
CA Corrente Alternada
CC Corrente Contínua
CBEE Centro Brasileiro de Energia Eólica
CBTTE Centro Brasileiro de Testes de Turbinas Eólicas
CELPE Companhia Energética de Pernambuco
CEPEL Centro de Pesquisa de Energia Elétrica
COELBA Companhia Elétrica da Bahia
COELCE Companhia Elétrica do Ceará
COPEL Companhia Paranaense de Energia
CRESESB Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito
CTA Centro Técnico Aeroespacial
DEBRA Projeto de Parceria Alemanha e Brasil
DFVLR Centro Aeroespacial da Alemanha
EAG Energia Anual Gerada
ELETROBRAS Centrais Elétricas Brasileiras S.A.
EMBRATEL Empresa Brasileira de Telecomunicações
ERB Estação Rádio Base
GEDAE Grupo de Estudos e Desenvolvimento de Alternativas Energéticas
GMG Grupo Motor Gerador
MCT Ministério da Ciência e Tecnologia
MME Ministério de Minas e Energia
NUTEMA Núcleo Tecnológico de Energia e Meio Ambiente
PROINFA Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica
PUC-RJ Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro
PWM Pulse Width Modulation (Modulação por Largura de Pulso)
SEMC Secretaria de Energia, Minas e Comunicações
SIMEPAR Sistema Meteorológico do Paraná
TSR Tip Speed Ratio
UNICAMP Universidade Estadual de Campinas
UFPE Universidade Federal de Pernambuco
UFPR Universidade Federal do Paraná
UFSC Universidade Federal de Santa Catarina
UTFPR Universidade Tecnológica Federal do Paraná
WANEB Wind Atlas for the Northeast of Brazil (Atlas Eólico do Nordeste do
Brasil)
LISTA DE FIGURAS
Figura 3.1 - Anemômetro ............................................................................................26
Figura 3.2 - Moinhos antigos.......................................................................................28
Figura 3.3 - Princípio aerodinâmico da turbina eólica ................................................29
Figura 3.4 -Turbinas de eixo vertical (a) e horizontal (b) ............................................30
Figura 3.5 -Turbinas eólica Savonius .........................................................................31
Figura 3.6 - Turbina eólica de Paul de la Cour ...........................................................32
Figura 3.7 - Turbina eólica Darrieus............................................................................33
Figura 3.8 - Bônus 300 kW .........................................................................................33
Figura 3.9 - Turbina NEG Micon 2MW, Hagesholm, Dinamarca................................34
Figura 3.10 - Esquema básico de uma turbina eólica. ...............................................35
Figura 3.11 - Esquema básico de um aerogerador de pequeno porte.......................39
Figura 3.12 - Princípio básico de funcionamento de um aerogerador........................40
Figura 3.13 - Diagrama de blocos simplificado de um aerogerador...........................40
Figura 3.14 - (a) Curva característica do gerador para diferentes rotações (b) Curva
de potência do aerogerador em função da velocidade do vento. .........42
Figura 3.15 - Curva de potência típica de aerogeradores. .........................................42
Figura 3.16 - Curva de potência de aerogeradores com e sem regulação de passo
das pás. .................................................................................................43
Figura 3.17 - Exemplos de aerogeradores de pequeno, médio e grande porte.........44
Figura 3.18 - Mapa de ventos do Brasil ......................................................................48
Figura 3.19 - Usina eólica de Prainha - CE ................................................................49
Figura 3.20 - Usina eólica de Taiba - CE....................................................................49
Figura 3.21 - Usina eólica de Mucuripe - CE..............................................................50
Figura 3.22 - Usina eólica de Carmelinho - MG..........................................................50
Figura 3.23 - Parque Eólico de Osório - RS ...............................................................51
Figura 3.24 - Potencial eólico do Estado do Paraná. .................................................53
Figura 3.25 - Perfil de velocidades de vento para uma velocidade média de 10 m/s a
50m. .......................................................................................................55
Figura 3.26 - Relação entre o diâmetro do rotor e a potência nominal da turbina. ....57
Figura 4.27 - Conjunto de módulos fotovoltaicos. ......................................................60
Figura 4.28 - Esquema de um gerador fotovoltaico básico. .......................................62
Figura 4.29 - Ângulo azimutal (α) e ângulo de inclinação (β). ....................................65
Figura 4.30 - Efeito causado pela variação de intensidade luminosa. .......................66
Figura 4.31 - Efeito causado pela variação da temperatura.......................................66
Figura 4.32 - Sistema de bombeamento fotovoltaico para irrigação ..........................67
Figura 4.33 - Telefonia pública utilizando energia fotovoltaica: Maceio/AL ...............68
Figura 4.34 – Sistema fotovoltaico residencial: Amazônia .........................................68
Figura 4.35 – Sistema fotovoltaico para iluminação pública: Ipatinga - MG ..............69
Figura 4.36 – Sistema fotovoltaico para telefones públicos: Bahia ............................69
Figura 4.37 - Módulo fotovoltaico Kyocera .................................................................70
Figura 4.38 - Módulo fotovoltaico Siemens.................................................................70
Figura 5.39 - Exemplo de sistema híbrido. .................................................................71
Figura 5.40 - Sistema híbrido instalado no Chile ........................................................72
Figura 5.41 - Sistema híbrido em Fernando de Noronha ...........................................73
Figura 5.42 - Projeto Tamaruteua ...............................................................................74
Figura 5.43 - Projeto Praia Grande.............................................................................75
Figura 5.44 - Partes de um sistema híbrido eólico-solar ............................................76
Figura 5.45 - Ligação série de elementos eletroquímicos formando uma bateria de
24V.........................................................................................................78
Figura 5.46 - Exemplos de baterias usadas em sistemas fotovoltaicos.....................79
Figura 5.47 - Tipos de chaveamentos em controladores de carga: (a) série (b)
paralelo. .................................................................................................81
Figura 5.48 - Controlador de Carga SunSaver ...........................................................81
Figura 5.49 - Controlador de Carga ProStar...............................................................81
Figura 5.50 - Formas de ondas obtidas através de modulação PWM. ......................82
Figura 5.51 - Inversor Xantrex ....................................................................................82
Figura 5.52 - Inversor Isoverter...................................................................................82
Figura 6.53 – Exemplo de ERB: BR 277, Km 41........................................................84
Figura 6.54 - Diagrama de blocos do bastidor Siemens.............................................86
Figura 6.55 - Grupo motor gerador .............................................................................88
Figura 6.56 - Fases das emissões de poluentes. .......................................................89
Figura 7.57 – ERB de Antonina/PR ............................................................................91
Figura 7.58 – Distância da rede de distribuição elétrica.............................................91
Figura 7.59 - Grupo motor gerador .............................................................................92
Figura 7.60 – Extensão de rede: acesso ....................................................................93
Figura 7.61 – Extensão de rede: transformador .........................................................93
Figura 7.62 – Placa de identificação da torre .............................................................96
Figura 7.63 – Insolação média em 2006.....................................................................97
Figura 7.64 – Medição da corrente .............................................................................98
Figura 7.65 – Detalhe do alicate amperímetro............................................................98
Figura 7.66 – Aerogerador GERAR246 ................................................................... 101
Figura 7.67 – Curva de potência.............................................................................. 102
Figura 7.68 – Curva de capacidade de geração...................................................... 102
Figura 7.69 – Módulo Fotovoltaico KC 130TM ........................................................ 105
Figura 7.70 – Características de voltagem e corrente em relação a temperatura e
insolação............................................................................................. 106
Figura 7.71 – Controlador de carga XANTREX C60 ............................................... 110
Figura 7.72 – Bateria MOURA CLEAN .................................................................... 111
Figura 7.73 – Linha PROWATT de inversores ........................................................ 112
Figura 7.74 – Diagrama de blocos do Sistema Híbrido ........................................... 113
Figura 7.75 – Lay-out do sistema híbrido ................................................................ 114
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1 - Relação entre velocidade do vento e diâmetro do rotor.........................39
Tabela 3.2 - Principais características das unidades eólicas brasileira .....................49
Tabela 3.3 – Fabricantes de turbinas eólicas .............................................................58
Tabela 4.4 - Relação de rendimentos obtidos com algumas tecnologias comerciais63
Tabela 4.5 – Fabricantes de painéis fotovoltaicos......................................................70
Tabela 7.6 – Custos com o Grupo Motor-Gerador .....................................................92
Tabela 7.7 – Orçamento para extensão de rede ........................................................93
Tabela 7.8 – Velocidade média do vento....................................................................94
Tabela 7.9 – Velocidade média horária do vento (m/s) ..............................................95
Tabela 7.10 – Insolação média em Antonina..............................................................97
Tabela 7.11 – Consumo de energia por dia................................................................99
Tabela 7.12 – Características de aerogeradores de pequeno porte ....................... 100
Tabela 7.13 – Aerogerador ENERSUD GERAR246 ............................................... 101
Tabela 7.14 – Características de painéis fotovoltaicos ........................................... 104
Tabela 7.15 – Especificações Elétricas: módulo fotovoltaico KC 130TM................ 105
Tabela 7.16 – Quantidade de placas fotovoltaicas.................................................. 107
Tabela 7.17 – Especificação elétrica do controlador de carga................................ 110
Tabela 7.18 – Especificação elétrica do inversor .................................................... 112
Tabela 7.19 – Quantidade e custo dos equipamentos do sistema híbrido.............. 112
Tabela 8.20 – Investimento inicial............................................................................ 115
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO GERAL ............................................................................................................................. 16
1.1 INTRODUÇÃO..................................................................................................................................... 16
1.2 PROBLEMA ......................................................................................................................................... 17
1.3 JUSTIFICATIVA.................................................................................................................................. 17
1.4 OBJETIVOS.......................................................................................................................................... 18
1.4.1 OBJETIVO GERAL .......................................................................................................................... 18
1.4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS............................................................................................................ 18
1.5 MÉTODO DE PESQUISA.................................................................................................................... 19
1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO.......................................................................................................... 20
2 ENERGIA E MEIO AMBIENTE............................................................................................................... 21
2.1 CUSTOS AMBIENTAIS...................................................................................................................... 22
2.2 ASPECTOS SOCIAIS .......................................................................................................................... 22
2.3 LINHAS DE TRANSMISSÃO............................................................................................................. 22
2.4 O DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL...................................................................................... 23
3 ENERGIA EÓLICA ..................................................................................................................................... 25
3.1 CONCEITO........................................................................................................................................... 25
3.2 ENERGIA E POTÊNCIA ..................................................................................................................... 26
3.3 ENERGIA EÓLICA E SUA ORIGEM................................................................................................. 27
3.3.1 PARTES COMPONENTES .............................................................................................................. 35
3.3.2 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DE UM AEROGERADOR ................................................. 40
3.4 ENERGIA EÓLICA NO BRASIL........................................................................................................ 45
3.4.1 MAPA DO POTENCIAL EÓLICO BRASILEIRO ........................................................................... 47
3.4.2 MAPA DO POTENCIAL EÓLICO DO PARANÁ ........................................................................... 52
3.5 COMPORTAMENTO DA VELOCIDADE DO VENTO COM A ALTURA .................................... 53
3.6 A POTÊNCIA EÓLICA........................................................................................................................ 55
3.7 FABRICANTES DE TURBINAS EÓLICAS DE PEQUENO E MÉDIO PORTE ............................. 58
4 ENERGIA SOLAR ....................................................................................................................................... 59
4.1 CONCEITO........................................................................................................................................... 59
4.2 VIDA ÚTIL DO SISTEMA FOTOVOLTAICO .................................................................................. 61
4.3 COMPONENTES DE UM SISTEMA FOTOVOLTAICO ................................................................. 61
4.4 POTÊNCIA E ENERGIA GERADAS ................................................................................................. 62
4.5 PROJETOS IMPLEMENTADOS NO BRASIL .................................................................................. 67
4.6 FABRICANTES DE PAINÉIS FOTOVOLTAICOS........................................................................... 70
4.6.1 MODELOS DE MÓDULOS FOTOVOLTAICOS............................................................................ 70
5 SISTEMAS HÍBRIDOS ............................................................................................................................... 71
5.1 SISTEMA HÍBRIDO EÓLICO-SOLAR.............................................................................................. 72
5.2 PARTES DE UM SISTEMA HÍBRIDO EÓLICO-SOLAR ................................................................ 75
5.2.1 UNIDADES GERADORAS .............................................................................................................. 77
5.2.2 RETIFICADORES ............................................................................................................................ 77
5.2.3 BANCO DE BATERIAS.................................................................................................................... 78
5.2.4 SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO........................................................................................................ 80
5.2.5 CONTROLADORES DE CARGA .................................................................................................... 80
5.2.6 INVERSORES DE FREQUÊNCIA................................................................................................... 81
5.2.7 SISTEMA DE PROTEÇÃO .............................................................................................................. 83
6 ESTAÇÃO RÁDIO BASE – ERB............................................................................................................... 84
6.1 EXTENSÃO DE REDE ........................................................................................................................ 87
6.2 GRUPO MOTOR-GERADOR ............................................................................................................. 88
6.2.1 IMPACTOS AMBIENTAIS............................................................................................................... 89
7 O CASO DA ESTAÇÃO ANTONINA/PR ................................................................................................ 91
7.1 GRUPO MOTOR-GERADOR ............................................................................................................. 92
7.2 EXTENSÃO DE REDE ........................................................................................................................ 93
7.3 RECURSOS ENERGÉTICOS.............................................................................................................. 94
7.3.1 CONDIÇÕES DE VENTO ............................................................................................................... 94
7.3.2 INCIDÊNCIA SOLAR....................................................................................................................... 96
7.4 ANALISE TÉCNICA DO SISTEMA HÍBRIDO................................................................................. 98
7.4.1 CONSUMO DE ENERGIA DA ESTAÇÃO ANTONINA................................................................. 98
7.5 DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA HÍBRIDO............................................................................. 99
7.5.1 AEROGERADOR ........................................................................................................................... 100
7.5.2 PAINEL FOTOVOLTAICO............................................................................................................ 104
7.5.3 CONTROLADORES DE CARGA .................................................................................................. 109
7.5.4 BANCO DE BATERIAS.................................................................................................................. 110
7.5.5 INVERSOR...................................................................................................................................... 111
7.6 ESPECIFICAÇÃO E CUSTO DO SISTEMA HÍBRIDO.................................................................. 112
7.7 DIAGRAMA DE BLOCOS DO SISTEMA ....................................................................................... 113
7.8 LAY-OUT DO SISTEMA HÍBRIDO................................................................................................. 114
8 COMPARATIVO ENTRE DIFERENTES SISTEMAS........................................................................ 115
8.1 SISTEMA HÍBRIDO X SISTEMA CONVENCIONAL ................................................................... 115
8.2 SISTEMA HÍBRIDO X GRUPO MOTOR-GERADOR ................................................................... 116
9 CONSIDERAÇÕES FINAIS..................................................................................................................... 117
REFERÊNCIAS.................................................................................................................................................... 119
ANEXOS................................................................................................................................................................ 125
16
1 INTRODUÇÃO GERAL
1.1 INTRODUÇÃO
A história do telefone celular no Brasil começa em 1990. Na época,
segundo dados da Agência Nacional de Telecomunicações (ANATEL), o país
contava com 667 aparelhos, número que passou para 6700 unidades no ano
seguinte e não parou mais de crescer, ultrapassando o número de telefones fixos
em 2005. A trajetória de crescimento teve como fator determinante a privatização
da telefonia móvel no Brasil, que até 1997 era um serviço estatal. A abertura do
mercado para o capital privado obrigou as antigas estatais e as novas empresas
que se instalavam a fazerem um grande investimento no setor. Com isto houve
um aumento significativo na escala de produção de aparelhos e oferta de novos
serviços atrelados a menores preços, numa ampla disputa pelo interesse dos
consumidores (ANATEL, s.d.).
Com o surgimento de diversas operadoras de telefonia celular, a
competitividade aumentou consideravelmente fazendo com que estas empresas
busquem sempre melhorias no fornecimento desta tecnologia para se manter
neste mercado. Um dos principais objetivos destas empresas é disponibilizar o
acesso a esta tecnologia a todas as pessoas, independente do seu
posicionamento geográfico.
Muitas vezes o local escolhido para a instalação de uma nova Estação
Rádio Base (ERB) é desprovido de uma rede de distribuição elétrica. Quando
possível, pode-se solicitar a concessionária local a execução de uma extensão
de rede e um grupo motor-gerador será utilizado até que a obra seja concluída,
podendo levar alguns meses. Em alguns casos, a utilização do gerador se torna
permanente, devido à inviabilidade do projeto de extensão de rede.
Outra maneira de suprir esta falta de rede de distribuição seria utilizar um
sistema híbrido eólico-solar. Estes sistemas híbridos, têm por objetivo maximizar
a utilização de fontes alternativas de energia frente às fontes tradicionais,
mantidas a confiabilidade e qualidade da energia fornecida, sem causar danos
ao meio ambiente (CBEE, s.d.).
17
1.2 PROBLEMA
A inexistência de redes de distribuição em lugares onde estão e/ou serão
instaladas ERBs, o atraso para executar-se uma extensão de rede, quando esta for
possível, geram um grande problema para as empresas de telefonia celular.
Geradores diesel são também bastante empregados na falta de rede de
energia, e estes têm a desvantagem de apresentar um elevado custo, de exigir um
abastecimento quase que diário e, além disso, degradar o meio ambiente.
1.3 JUSTIFICATIVA
Tendo em vista a necessidade de instalação de novas estações celulares em
locais isolados, este trabalho, mostrará uma nova possibilidade de suprir o problema
da inexistência de uma rede de distribuição, utilizando fontes alternativas de energia
renováveis, contribuindo assim para o desenvolvimento sustentável satisfazendo as
necessidades da geração atual sem comprometer as necessidades das gerações
futuras.
A utilização de um sistema híbrido eólico-solar poderá atender as
necessidades energéticas de locais isolados com baixa demanda de energia e de
difícil acesso, fatores responsáveis pelo alto custo de eletrificação. O sistema híbrido
eólico-solar apresenta uma grande confiabilidade devido sua flexibilidade para
fornecer energia. Outro fator importante de se utilizar um sistema híbrido eólico-solar
deve-se ao fato dele ser praticamente isento de manutenção (CBEE, s.d.).
Além disso, este projeto terá continuidade, com o apoio da C.A.W. Projetos e
Consultoria Indl. Ltda, empresa de telecomunicações responsável pela instalação de
torres celulares em todo território nacional, e num futuro próximo, poderá tornar-se
possível e rentável a instalação de sistemas híbridos eólico-solar para a alimentação
de ERBs.
18
1.4 OBJETIVOS
1.4.1 OBJETIVO GERAL
Analisar tecnicamente a implantação de um sistema híbrido eólico-solar para
alimentar ERBs em lugares isolados através do caso da Estação Antonina/PR.
1.4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
� Coletar dados sobre o funcionamento de uma ERB, tais como: tensão,
corrente, potência;
� estudar os sistemas híbridos eólico-solar, bem como sua aplicação em
telecomunicações;
� pesquisar os modelos de aerogeradores, painéis fotovoltaicos e demais
equipamentos disponíveis no mercado, que atendam a demanda deste
sistema híbrido;
� fazer o levantamento de todos os gastos relativos a extensão de rede e
uso de grupo motor-gerador na Estação Antonina;
� analisar os recursos energéticos na região de Antonina: condições de
vento e incidência solar;
� analisar a viabilidade técnica do sistema híbrido;
� dimensionar os componentes do sistema híbrido: aerogerador, painéis
fotovoltaicos, banco de baterias, inversor, disjuntor, etc.;
� fazer o levantamento de custo dos equipamentos do sistema híbrido,
projetos de instalação e custo de mão-de-obra;
� avaliar economicamente o sistema híbrido (avaliação básica);
� comparativo entre os diferentes sistemas.
19
1.5 MÉTODO DE PESQUISA
Inicialmente, será feito o levantamento do referencial teórico através de
pesquisas em livros, internet e contato com empresas e profissionais das áreas
afins. As empresas Siemens e Claro fornecerão as características técnicas de
alimentação de uma ERB.
O conhecimento das características dos equipamentos que constituem o
sistema híbrido de pequeno porte, tais como aerogeradores, painéis fotovoltaicos,
baterias, inversores, controladores de carga, dentre outros, serão obtidos através de
catálogos técnicos de fabricantes, internet e contatos com empresas do setor.
Posteriormente será feita uma coleta de dados na Estação Antonina sobre o
uso do grupo motor-gerador, extensão de rede, condições de vento e incidência
solar. Estas características do local ajudarão na escolha do aerogerador, dos painéis
fotovoltaicos e demais equipamentos do sistema híbrido e servirão de base para
estudar a viabilidade técnica deste sistema.
Uma vez conhecido os equipamentos a serem utilizados será elaborado um
desenho do lay-out do sistema de alimentação e dos suportes para instalação do
painel solar e aerogerador.
O custo total do sistema, equipamentos e mão-de-obra, será obtido por meio
de consulta aos fornecedores e executores e depois será feito uma avaliação
econômica básica deste sistema híbrido, apontando suas vantagens e
desvantagens.
20
1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO
Capítulo 1. Introdução
� Proposta do projeto
Capítulo 2. Energia e Meio Ambiente
Capítulo 3. Energia Eólica
Capítulo 4. Energia Solar
Capítulo 5. Sistemas Híbridos
Capítulo 6. Estação Radio Base - ERB
Capítulo 7. O caso da Estação Antonina/PR
Capítulo 8. Comparativo entre Diferentes Sistemas
Capítulo 9. Considerações Finais
Referências
Anexos
21
2 ENERGIA E MEIO AMBIENTE
No mundo de hoje a demanda energética apresenta um crescimento
vertiginoso para atender as necessidades da humanidade. O homem tem se voltado
para a natureza, buscando nos seus elementos as alternativas energéticas capazes
de fornecer a energia para sustentar o seu desenvolvimento social e tecnológico.
Dessa forma, as alternativas energéticas provenientes dos recursos naturais
renováveis estão sendo retomadas.
Os países desenvolvidos elegeram as energias solar e eólica como as mais
promissoras alternativas energéticas do futuro (AMBIENTE, 2004).
O pensamento ambiental tem muito a ver com aquela responsabilidade social:
o objetivo mais propagado é que a sobrevivência da humanidade depende da
natureza à qual pertence. Conservar o meio ambiente é uma forma de valorizar o
homem em todos os aspectos, desenvolvendo condições para a qualidade de vida.
É lógico que algum dano sempre é causado pela utilização dos recursos
naturais. Mas esse dano tem de ser minimizado por estudos de proteção ambiental
com embasamento científico. Sem isso, podem surgir previsões de desastres sem
fundamento técnico. Um exemplo foram as previsões “catastróficas” quando da
construção da Usina Hidrelétrica de Itaipu: o assoreamento ocorreria em apenas 40
anos, em cinco anos a superfície do lago estaria coberta por plantas aquáticas
devido à poluição drenada pelos rios paulistas, em menos de dez anos teria induzido
a esquistossomose na Bacia do Prata e também disseminaria as piranhas. Depois
de quinze anos da formação do reservatório, não há qualquer evidência desses fatos
(ANEEL, 1998).
A difusão da previsão dessas catástrofes naturais e a reação popular contra
alguns empreendimentos são sinais de que alguns projetos precisam ser melhor
explicados. Os fatores relevantes em torno do projeto são:
� execução da avaliação dos impactos socioambientais;
� implantação de mecanismos de consulta e participação da sociedade,
especialmente nos aspectos que lhe afetam diretamente;
� distribuição das responsabilidades e dos custos socioambientais.
22
Os entendimentos entre a engenharia e o ambiente resolvem os eventuais
conflitos existentes na fase inicial de um projeto. Esses entendimentos não são
fáceis por causa de diferenças no pensamento lógico que existem entre as duas
áreas (ANEEL, 1998).
2.1 CUSTOS AMBIENTAIS
A inserção dos custos ambientais deve ser realizada durante a previsão
orçamentária do projeto, sendo que a importância dada aos aspectos ambientais é
diretamente proporcional ao montante de recursos destinados (BLASQUES, 2005).
O maior peso dos custos de engenharia incide nas etapas de projeto básico e
executivo. Nos custos ambientais, o maior percentual incide na etapa da viabilidade.
2.2 ASPECTOS SOCIAIS
Como um fator ético social, deve ser levado em consideração o fato de uma
central de geração elétrica ter o dever de contribuir com o desenvolvimento da
região onde está localizada. Isso pode ser feito pelo fornecimento de energia local,
estrutura de telecomunicações, estradas e acessos, áreas de preservação,
educação e cultura, turismo, paisagismo, lazer, etc. (CRESESB 1, s.d.).
2.3 LINHAS DE TRANSMISSÃO
As linhas de transmissão exigem estudos de impacto ambiental, prevendo-se
as situações em que o desmatamento ao longo do percurso implique a adoção de
medidas ambientais complementares, tais como controle de erosão e corredores de
passagem de animais selvagens. Os problemas mais comuns das linhas de
transmissão são junto aos cursos d’água, quando a preservação das matas ciliares
impõem, por exemplo, a construção de torres de transmissão mais altas.
23
2.4 O DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL
O desenvolvimento sustentável tem como meta a conservação da natureza,
visando manter a capacidade do planeta para sustentar o progresso e considerando
a capacidade dos ecossistemas e as necessidades das futuras gerações.
O desenvolvimento sustentável é aquele que atende às necessidades do
presente sem comprometer a possibilidade das gerações futuras de atenderem às
suas próprias necessidades. É um processo de transformação no qual a exploração
dos recursos, a direção dos investimentos, a orientação do desenvolvimento
tecnológico e a mudança institucional se harmonizam e reforçam o potencial
presente e futuro, a fim de atender às necessidades e aspirações humanas.
A expressão produção mais limpa refere-se a uma abordagem de proteção
ambiental mais ampla considerando todas as fases de produção e o ciclo de vida do
produto, incluindo a sua utilização. Isso requer ações contínuas e integradas para
conservar energia e matéria-prima, substituir recursos não-renováveis por
renováveis, eliminar substâncias tóxicas e reduzir os desperdícios e a poluição
resultantes dos produtos e dos processos produtivos (BLASQUES, 2005).
A produção mais limpa é uma estratégia tecnológica permanente que se
contrapõe às soluções que visam controlar a poluição atuando no final do processo
produtivo. Quando esse tipo de solução tecnológica é utilizada em um sistema
industrial, os danos ambientais são reduzidos imediatamente, mas é necessário um
grande investimento inicial. É um tipo de solução reativa e seletiva, adotada
geralmente para atender aos padrões de qualidade ambiental estabelecidos. A
solução tecnológica que atua no final do processo produtivo corrige prejuízos
ambientais causados por um sistema produtivo, mas não combate as causas que o
produziram.
As tecnologias de produção mais limpa contemplam mudanças nos produtos
e seus processos de produção para reduzir ou eliminar todo tipo de rejeito antes que
eles sejam criados. Dessa forma, elas contribuem para a redução da necessidade
de insumos para um mesmo nível de produção e para a redução da poluição
resultante do processo de produção, distribuição e consumo. Os produtos devem ser
projetados para facilitar a sua fabricação, utilização e disposição final após a sua
vida útil.
24
A idéia fundamental dessa política é atacar as causas da degradação
ambiental através da preservação, minimizando a geração de poluição na fonte e,
conseqüentemente, reduzindo o uso de insumos materiais e energéticos para a
mesma produção (CRESESB 1, s.d.).
Exigências da política de produção mais limpa:
� aperfeiçoamento dos processos produtivos para torná-los mais
eficientes;
� revisão dos projetos dos produtos para facilitar a sua produção e
melhorar o seu desempenho;
� utilização de matérias-primas com maior grau de pureza;
� eliminação de materiais perigosos;
� recuperação das águas utilizadas nos processos;
� manutenção preventiva na linha de processo;
� procedimentos para conservação de energia;
� programa de redução de perdas em manuseio e estocagem;
� realização de auditoriais sistemáticas;
� treinamento e conscientização de todas as pessoas que se envolvem
com o produto (até o nível do usuário).
A reciclagem de material é outro fator fundamental na política de produção
mais limpa. A reciclagem é a transformação dos resíduos em novas matérias-
primas, envolvendo a coleta de resíduos, processamento e comercialização. A
reciclagem reduz a necessidade de espaços destinados ao lixo doméstico e
industrial, e o seu processamento exige menos insumos do que a obtenção dos
materiais originais.
Na política do desenvolvimento sustentável, a proteção do ambiente é parte
integrante do processo de desenvolvimento. A empresa não deve se preocupar com
o ambiente apenas para atender os requisitos legais, mas também para alcançar
objetivos econômicos compatíveis com padrões sustentáveis de desenvolvimento.
Em termos de tecnologia, significa alcançar ganhos de produtividade através de
prevenção da poluição (ANEEL, 1998).
25
3 ENERGIA EÓLICA
3.1 CONCEITO
O vento, movimento do ar na atmosfera terrestre, é a fonte primária do
sistema de energia eólica. Esse movimento do ar é gerado principalmente pelo
aquecimento da superfície da Terra nas regiões próximas ao Equador e pelo
resfriamento nas regiões dos pólos. Dessa forma, os ventos das superfícies frias
circulam dos pólos em direção ao Equador para substituir o ar quente tropical que,
por sua vez, desloca-se para os pólos.
O vento é influenciado pela rotação da Terra, provocando variações sazonais
na sua intensidade e direção, e pela topografia do local. Para utilizar a energia dos
ventos de maneira eficiente na geração de energia, é necessário medir a direção e a
intensidade dos ventos. Essas medições são feitas normalmente com anemômetros
instalados em alturas variadas dependendo do relevo e da finalidade da medição. É
possível fazer estimativas do comportamento dos ventos utilizando-se o tratamento
estatístico dos dados obtidos (CASTRO, 2005).
No tratamento desses dados, a curva mais importante (geradora de outras
curvas) é a curva da freqüência das velocidades, que fornece o período de tempo
(percentual) em que uma velocidade foi observada. Dessa curva deriva-se também a
curva de energia disponível (Wh/m²), também conhecida como potência média bruta
ou fluxo de potência eólica. Outras curvas importantes são as que fornecem o
período de calmaria e a ventos fortes.
Caso não exista disponibilidade de uma curva de freqüência de velocidade do
vento, as velocidades podem ser projetadas a partir da velocidade média, utilizando-
se a modelagem matemática baseada na distribuição de Rayleigh.
Conhecer a velocidade média do vento é fundamental para a estimativa da
energia produzida, porque os aerogeradores começam a gerar numa determinada
velocidade de vento e param de gerar quando a velocidade ultrapassa determinado
valor de segurança. Além disso, a velocidade média do vento é fator determinante
para o dimensionamento do sistema de armazenamento (BLASQUES, 2005).
26
Figura 3.1 - Anemômetro
Fonte: AMBIENTE, 2004
3.2 ENERGIA E POTÊNCIA
A quantidade de trabalho que um sistema físico é capaz de realizar, durante
certo período de tempo, denomina-se energia. Então a energia não pode ser criada,
nem consumida ou destruída, mas ela pode ser convertida ou transferida para outras
formas: a energia cinética do movimento das moléculas do ar pode ser convertida
em energia de movimento pelo rotor de uma turbina eólica, que por sua vez pode ser
convertida em energia elétrica por um gerador acoplado à turbina. Em cada uma
destas conversões uma parte da energia original é convertida em energia calorífera
(BLASQUES, 2005).
A turbina eólica também é chamada de conversor de energia eólica, e sua
performance é medida em termos da quantidade de energia eólica que ela pode
converter da energia cinética do vento. Normalmente, essa energia é medida em
quilowatts-hora (kWh) ou megawatts-hora (MWh) durante um certo período de
tempo, geralmente uma hora, um mês ou um ano.
A potência elétrica é medida em Watt (W), quilowatt (kW), megawatt (MW),
etc.. Potência é a energia transferida por unidade de tempo e pode ser medida em
qualquer instante, enquanto que a energia tem de ser medida durante um certo
período de tempo: um segundo, uma hora ou um ano. Exemplo: uma turbina de 10
kW pode produzir 16.000 kW anualmente, suficiente para alimentar uma residência
27
de bom porte. Uma turbina de 1,65 MW pode produzir cerca de 4,7 milhões de kW
em um ano, suficientes para abastecer uma pequena comunidade.
Se uma turbina eólica tem potência de 600 kW, isto significa que ela produz
600 kW de energia por hora de operação, na sua máxima performance. Se um local
tem 1.000 MW de potência instalada, este valor não traduz a quantidade de energia
produzida (GARCIA, 2004).
Algumas relações entre unidades:
� 1 kW = 1.359 HP;
� 1 MW = 1.000 kW = 1.000.000 W;
� 1 J (joule) = 1 Ws = 41.868 cal;
� 1 kWh = 3.600.000 J;
� 1 HP = 745,7 W.
3.3 ENERGIA EÓLICA E SUA ORIGEM
No século VII, na Pérsia, moinhos movidos por vento já eram utilizados para
moer grãos. Esses moinhos, onde a roda das pás (hélices) era horizontal e
sustentada por um eixo vertical, não eram eficazes.
Na Europa, os primeiros moinhos surgiram no século XII na França e
Inglaterra. Como características comuns, eles possuíam na sua parte superior um
eixo horizontal que suportava de quatro a oito vigas de madeira com comprimento e
3 a 9 metros. As vigas eram cobertas com telas ou pranchas de madeira e a energia
gerada pelo giro do eixo era transmitida por um sistema de engrenagens para as
máquinas do moinho, instaladas na base da estrutura.
28
Figura 3.2 - Moinhos antigos
Fonte: ENERGIAS RENOVÁVEIS, 2002
O desenvolvimento dos moinhos de vento sofre uma parada com o advento
da revolução industrial do século XIX, onde a fonte de energia principal é
direcionada para o vapor, a eletricidade e os combustíveis fósseis. Entretanto, na
segunda metade do século XIX surge o moinho de pás múltiplas, tipo americano,
considerado um dos mais importantes avanços na tecnologia de aproveitamento do
vento, utilizado praticamente em todo o mundo para o bombeamento de água e
cujas características serviram de base para o projeto dos modernos geradores
eólicos (CASTRO, 2005).
A partir daí, outras aplicações foram desenvolvidas para os moinhos:
serrarias, fábricas de papel e prensa de grãos para produção de azeite.
Melhoramentos foram introduzidos na aerodinâmica das pás e freios hidráulicos
utilizados para deter o movimento das hélices. A aplicação de turbinas eólicas para
geração de eletricidade iniciou-se na Dinamarca, ao final do século XIX.
O primeiro aerogerador de grande dimensão foi construído na França em
1929, e era constituído de duas pás com 20 metros de diâmetro. Após algum tempo
em operação, ele foi destruído por uma tormenta. Nessa época foram construídos
diversos aerogeradores de grandes dimensões, com diâmetros variando entre 30 a
53 metros. Todos foram destruídos por tormentas. Os problemas estruturais para
enfrentar ventos de grande intensidade foram corrigidos e atualmente existem
29
diversos aerogeradores com capacidade de 2.500 kW, diâmetro de pás até 93
metros, funcionando há mais de 20 anos (CRESESB 1, s.d.).
O princípio de funcionamento do gerador eólico-elétrico é o mesmo do
gerador hidrelétrico. Nas usinas hidrelétricas o fluxo de água é utilizado para girar o
rotor de uma turbina, e a turbina aciona o eixo de um gerador para produzir
eletricidade. Na energia eólica, o fluxo de ar provocado pelo vento é que impele o
rotor de uma turbina; o rotor gira e aciona o eixo de um gerador elétrico. A principal
diferença entre os dois sistemas é que o ar possui densidade menor do que a água,
e por isso o diâmetro da turbina eólica deverá ser muito maior. Outra diferença é que
o vento se apresenta melhor distribuído na natureza do que os rios, além de não ser
necessário canalizá-lo.
As turbinas modernas são acionadas por arraste, onde o vento empurra as
hélices, ou por elevação, onde as hélices atuam de modo parecido com as asas do
avião através de uma corrente de ar. As turbinas que funcionam por elevação
trabalham com maior velocidade de rotação e são mais eficazes em relação as
turbinas acionadas por arraste.
Figura 3.3 - Princípio aerodinâmico da turbina eólica
Fonte: SALA DE FÍSICA, s.d.
A figura 3.3 ilustra o princípio aerodinâmico de uma turbina eólica com eixo
horizontal. O vento passa em ambas as faces do plano de sustentação da palheta
(lâmina) da hélice. A velocidade do vento é maior na face com superfície mais
extensa (face superior) da palheta, criando uma área de baixa pressão sobre o plano
de sustentação. A pressão diferencial entre as superfícies superior e inferior resulta
numa força, chamada de elevação aerodinâmica. Nas asas de um avião essa força
provoca a “subida” do plano de sustentação, possibilitando a decolagem e o vôo.
30
As palhetas de uma turbina eólica são construídas para girar num plano em
torno do cubo1 da hélice, constituindo um movimento de rotação. Existe outra força,
chamada de arraste, que é perpendicular à força de elevação. A força de arraste se
opõe ao movimento de rotação. O principal objetivo no projeto de uma turbina eólica
é que a palheta da hélice tenha uma alta relação entre elevação e arraste. Esta
relação pode variar ao longo do comprimento da palheta, otimizando a energia
produzida para diversas velocidades do vento (CRESESB 1, s.d.).
As turbinas podem ter eixo principal paralelo ao solo, chamada de eixo
horizontal, e eixo vertical, perpendicular ao solo, conforme mostrado na figura 3.4.
As turbinas de eixo horizontal utilizadas para gerar eletricidade têm de uma a três
hélices, enquanto as utilizadas para bombeamento de água podem ter várias hélices
(PEREIRA, 2002).
(a) (b)
Figura 3.4 -Turbinas de eixo vertical (a) e horizontal (b)
Fonte: ENERGIAS RENOVÁVEIS, 2002
A turbina eólica de eixo vertical pode ter projeto baseado na elevação ou
arraste. O sistema em arraste é semelhante ao trabalho realizado pelo remo para
impulsionar uma canoa na água. Supondo remadas perfeitas (sem deslizamento do
remo em relação à água), a velocidade máxima é praticamente a mesma que a
1 Elemento de conexão das pás com o eixo do rotor transmitindo forças, conjugados e vibrações
(CRESESB 1, s.d.).
31
velocidade da remada. O mesmo acontece com a ação do vento. O anemômetro de
pás, dispositivo comum para a medição da velocidade do vento, é um rotor de eixo
vertical baseado em arraste. Se a velocidade das pás for exatamente a mesma da
velocidade do vento, podemos afirmar que o instrumento está operando na razão de
velocidade máxima 1 (TSR – Tip Speed Ratio). As pás do anemômetro nunca
podem ter velocidade superior à do vento, assim TSR é sempre menor ou igual a 1.
Uma forma de determinar se uma turbina eólica de eixo vertical é baseada em
arraste ou elevação, é verificar se o TSR pode ser maior que 1. Um TSR acima de 1
significa alguma quantidade de elevação, enquanto TSR abaixo de 1 significa maior
ênfase em arraste. Os projetos baseados em elevação geralmente fornecem maior
potência, aliado a maior eficiência.
O rotor Savonius, mostrado na figura 3.5, é um exemplo de sistema eólico
com eixo vertical baseado em arraste. Ele possui baixa velocidade e alto torque,
sendo utilizado na moagem de grãos e bombeamento de água, mas não para gerar
eletricidade. Para gerar eletricidade, o número de rotações por minuto deve ser
superior a 1.000, enquanto que os projetos baseados em arraste possuem
velocidade abaixo de 100 rpm. No Savonius, a utilização de engrenagens para
multiplicar a velocidade de rotação causa perda de eficiência e dificuldade para
ultrapassar a inércia de partida.
Figura 3.5 -Turbinas eólica Savonius
Fonte: ENERGIAS RENOVÁVEIS, 2002
32
A primeira turbina eólica operada automaticamente para geração de energia
elétrica foi construída por Charles Brush (1849 – 1929) em 1888. O diâmetro do seu
rotor tinha 17 m e possuía 144 pás de madeira. O gerador tinha 12 kW e funcionou
por 20 anos, carregando um sistema de baterias. A desproporção entre o tamanho
da turbina e a capacidade do gerador era devido ao tipo de sistema com elevado
número de pás, proporcionando baixa velocidade (PEREIRA, 2002).
Paul de la Cour (1846 – 1908) foi um dos pioneiros da aerodinâmica moderna,
tendo construído seu próprio túnel de vento para experimentos. Ele descobriu que
turbinas com menos pás, mais rápidas, são mais eficientes para a produção de
eletricidade.
Figura 3.6 - Turbina eólica de Paul de la Cour
Fonte: TIMS, 1998
No ano de 1980 surgiu a máquina Darrieus, mostrado na figura 3.7. Este
sistema eólico com eixo vertical é baseado em elevação, onde cada palheta recebe
torque máximo somente duas vezes por revolução. Dessa forma, a potência de
saída é elevada e senoidal. Algumas freqüências naturais de vibração devem ser
evitadas durante a operação de rotor Darrieus com palhetas longas. Um dos
principais problemas deste sistema é a montagem sobre torres pois a utilização de
estaiamento para manter a turbina ereta provoca a ação de forças sobre os
rolamentos da turbina (PEREIRA, 2002).
33
Figura 3.7 - Turbina eólica Darrieus
Fonte: UNICAMP, 1996
Na mesma época foi desenvolvido um modelo de grande porte muito popular
na Europa, conhecido como Bônus 300 kW. A máquina Twind de 2 MW possui rotor
com diâmetro de 54 m girando em velocidade variável, acoplado a um gerador
síncrono.
Figura 3.8 - Bônus 300 kW
Fonte: UNICAMP, 1996
A turbina NEG Micon de 22 MW foi desenvolvida em 1999, possui rotor com
diâmetro de 72 m. A figura 3.9 mostra a instalação de Hagesholm, Dinamarca, com
a turbina montada numa torre de 68 m e fundações para receber mais duas turbinas.
34
Figura 3.9 - Turbina NEG Micon 2MW, Hagesholm, Dinamarca
Fonte: ENERGIAS RENOVÁVEIS, 2002
Desenvolvimentos tecnológicos buscam a redução de custos por meio de
conceitos simplificados, tais como: utilização de potências modulares, projetos sem
caixa de multiplicação e sistemas com orientação livre. As pesquisas também
incidem sobre a redução de cargas por meio de articulações e com sistemas de
velocidade variável, e controle que reduza as flutuações. Ao mesmo tempo, há uma
preocupação em reduzir a poluição visual e sonora (CRESESB 1, s.d.).
O material tradicionalmente utilizado para a fabricação de hélices é a fibra de
vidro. Existe uma tendência para a utilização de epóxi (resina de poliéster) reforçado
com fibras de vidro ou carbono. Outra possibilidade é utilizar aramida (kevlar) como
material de reforço, mas é um material ainda antieconômico para turbinas de grande
dimensão. Alguns fabricantes de aerogeradores de pequeno porte utilizam madeira
para confecção de hélices.
35
3.3.1 PARTES COMPONENTES
a) Aerogerador de grande porte
Figura 3.10 - Esquema básico de uma turbina eólica.
Fonte: CRESESB 1, s.d.
1- Cubo do rotor
2- Pás do rotor
3- Sistema hidráulico
4- Sistema de posicionamento
da nacele
5- Engrenagem de
posicionamento
6- Caixa multiplicadora de
rotação
7- Disco de freio
8- Acoplamento do gerador
elétrico
9- Gerador elétrico
10- Sensor de vibração
11- Anemômetro
12- Sensor de direção
13- Nacele, parte inferior
14- Nacele, parte superior
15- Rolamento do
posicionamento
16- Disco de freio do
posicionamento
17- Pastilhas de freio
18- Suporte do cabo de força
19- Torre
As principais partes componentes de uma instalação eólica para geração de
eletricidade são (CRESESB 1, s.d.):
� cubo: constitui elemento de conexão das pás com o eixo do rotor
transmitindo forças, conjugados e vibrações;
36
� pás: o conjunto de pás, na maioria dos casos igual a três, é
denominado rotor. Visando o uso em máquinas para geração de
eletricidade, as pás devem conciliar uma série de características, entre
as quais podem ser citadas: leveza, rigidez, e um bom rendimento
aerodinâmico. Na maior parte das aplicações, as pás são produzidas
assumindo contorno retangular ou trapezoidal, sendo este último a
forma mais usada em unidades de médio e grande porte devido ao alto
rendimento aerodinâmico. Quanto ao comprimento, as pás variam de
cerca de 0,40 metros para unidades de 100 W de potência até cerca de
52 metros para unidades com 6 MW de potência. Quanto ao material
de fabricação, pás modernas usam na maioria dos casos compostos
de epoxy e polyester reforçados com fibra de vidro;
� eixo do rotor: nas unidades eólicas que não possuem engrenagens, o
eixo do rotor representa o próprio eixo do gerador elétrico; caso
contrário, a caixa de engrenagem realiza o casamento entre o eixo do
rotor e o eixo do gerador;
� caixa multiplicadora de rotação: presente na maioria das instalações
interligadas à rede elétrica funciona como elemento de ligação entre a
baixa rotação das pás e a elevada rotação do gerador elétrico. Se a
caixa de engrenagens possui apenas uma relação de velocidade, o
projeto deve ser realizado considerando a velocidade do vento mais
provável no local da instalação do ponto de vista estatístico. Algumas
unidades dispensam o uso de engrenagens através do uso de gerador
elétrico com elevado número de pares de pólos;
� gerador elétrico: elemento responsável pela geração de eletricidade.
Em geral, são empregadas máquinas de indução ou síncronas
convencionais para unidades de média e grande potência; para
unidades de pequena potência são empregadas também máquinas
síncronas com excitação de ímãs permanentes.
37
� unidades de controle: responsáveis por diferentes tarefas, como o
acionamento do deslocamento angular das pás em torno do eixo e do
acompanhamento da direção do vento pela nacele;
� circuitos eletrônicos: estes componentes assumem diversas tarefas,
como o desacoplamento elétrico entre o gerador e a rede através de
circuitos retificadores, inversores, visando a operação em velocidade
variável das turbinas e a entrega de eletricidade dentro das exigências
de qualidade de energia;
� anemômetro: mede a velocidade do vento e transmite a informação
para o controlador;
� freio: utilizado em emergência, pode ser aplicado por meio mecânico,
elétrico ou hidráulico;
� controlador: aciona e desliga a máquina quando a velocidade do vento
atinge certos valores estabelecidos pelo fabricante da turbina eólica.
Certas turbinas não podem operar com velocidade do vento acima de
29 m/s (depende do fabricante) porque o gerador sofre sobreaque-
cimento e as estruturas ficam mais sujeitas ao processo de fadiga. Até
pouco tempo, o controlador da turbina era utilizado basicamente para
reduzir sua velocidade ou comando de parada, prevenindo a
sobrevelocidade e a vibração na ocorrência de vento muito forte.
Atualmente, estão sendo desenvolvidos controladores inteligentes que
otimizam a operação da turbina. Eles utilizam microprocessadores que
analisam continuamente as condições do vento e a operação da
turbina. O controlador ajusta a operação de modo a otimizar a
quantidade de potência gerada, protegendo a máquina do desgaste
excessivo e assegurando maior vida útil, além de garantir operação
segura;
� nacele: compartimento (estrutura de proteção) do conjunto contendo a
engrenagem, eixo de baixa e alta velocidade, gerador, controlador e
freio (todo o mecanismo do gerador). Em aerogeradores de grande
38
porte, a nacele contém acessórios de manutenção e permite acesso de
técnicos ao se interior;
� passo: giro controlado das pás, alterando o seu perfil frente ao impacto
do vento. Com isso, a velocidade de operação da turbina pode ser
controlada;
� rotor: composto pelas pás e o cubo frontal de interligação entre pás e
eixo de acionamento;
� veleta (sensor de vento): fornece a medida de orientação do vento que
aciona o dispositivo que posiciona a face da turbina;
� torre: constitui o elemento de sustentação da nacele, compartimento no
interior do qual estão localizados a caixa de engrenagens e o gerador
elétrico. As primeiras torres de treliça deram lugar para torres de aço,
com alturas que podem chegar a 124 metros.
Os cabos que conduzem a corrente elétrica da turbina, através da torre,
podem ser danificados por excesso de torção caso o dispositivo de orientação fique
acionado somente num sentido.
Para evitar isso, a turbina é equipada com um contador de giro dos cabos,
que informa ao controlador a necessidade de inverter a direção de giro e distorcer os
cabos. O sistema de segurança para torção dos cabos é redundante: se os cabos
estão muito torcidos, uma chave de parada de emergência independente do
controlador é acionada.
A performance da turbina eólica depende principalmente da velocidade do
vento e diâmetro do rotor. A tabela 3.1 fornece uma relação estimada entre esses
dois fatores e a saída da turbina, em Watt-hora/dia.
39
Tabela 3.1 - Relação entre velocidade do vento e diâmetro do rotor
Velocidade do vento (m/s)
Diâmetro do rotor (m) 4 5 6 7
1,5 35 70 94 117
3 152 269 386 468
5 421 769 1053 1287
7 831 1522 2107 2575
Wh / dia
Fonte: CRESESB 1, s.d.
a) Aerogerador de pequeno porte
Figura 3.11 - Esquema básico de um aerogerador de pequeno porte.
Fonte: AIRX, 2001.
40
3.3.2 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DE UM AEROGERADOR
O princípio de funcionamento do aerogerador, descrito na figura 3.12,
compreende dois processos de conversão, que são: o rotor, que retira a energia
cinética do vento e a converte em conjugado mecânico, e o gerador, que converte o
conjugado mecânico em eletricidade (PEREIRA, 2006).
Figura 3.12 - Princípio básico de funcionamento de um aerogerador.
Fonte: PEREIRA, 2004
Figura 3.13 - Diagrama de blocos simplificado de um aerogerador.
Fonte: LEITE, 2005
A transformação da energia mecânica em elétrica por meio de geradores
eletromecânicos é um problema tecnologicamente dominado, existindo vários
fabricantes destes equipamentos disponíveis no mercado, citados no item 3.8.
41
Alguns problemas prejudicam a integração dos sistemas eólicos aos geradores,
podendo citar (CRESESB 1, s.d., LEITE, 2005):
� variações na velocidade do vento;
� variações do torque de entrada;
� controle de freqüência e tensão;
� confiabilidade.
A conversão da energia mecânica disponível no rotor é feita mediante o uso
de geradores síncronos (alternadores), geradores assíncronos (de indução) ou
corrente contínua, e cada um deles apresenta vantagens e desvantagens que
devem ser analisadas com cuidado na sua incorporação a sistemas de conversão de
energia eólica (FARRET, 1999).
Aerogeradores de pequeno porte normalmente são destinados à eletrificação
de pequenos consumidores e ao carregamento de baterias. As tensões de
funcionamento mais comuns são de 12 e 24V, podendo ser encontradas tensões
maiores. São fundamentalmente constituídos por geradores de corrente alternada,
necessitando de sistemas de retificação para armazenamento da energia, porém,
dispõem de diodos retificadores para converter a tensão alternada de saída em uma
tensão contínua (GARCIA, 2005).
Atualmente, em aerogeradores de pequeno porte, utiliza-se a tecnologia de
geradores com ímãs permanentes, que dispensam o uso de escovas. A utilização
desta tecnologia diminui consideravelmente a sua manutenção, uma vez que não
tem necessidade de efetuar a troca das escovas (elemento de alto desgaste por
atrito mecânico) (ELETRICISTA, 2004).
Não se utiliza aerogeradores em série. A associação paralela é utilizada para
a obtenção de maiores potências, embora existam no mercado aerogeradores com
as principais potências para várias aplicações.
A figura 3.14 mostra o comportamento teórico do sistema que forma o
aerogerador, determinado pela interseção entre as curvas da turbina para diferentes
velocidades e a curva do gerador elétrico para as mesmas rotações, como mostrado
em (a) gerando a curva mostrada em (b). Essa relação é conhecida como curva
característica do aerogerador ou curva de potência.
42
(a) (b)
Figura 3.14 - (a) Curva característica do gerador para diferentes rotações (b) Curva de potência do aerogerador em função da velocidade do vento.
Fonte: GARCIA, 2005
A curva de potência reconhecida é aquela obtida experimentalmente. A
figura 3.15 mostra a curva característica típica de aerogeradores, onde a potência é
incrementada com o aumento da sua rotação (aumento da velocidade do vento) até
um ponto em que a alta rotação dificulta a passagem do vento pela turbina, e
mesmo com o aumento da rotação a potência produzida se mantêm constante ou
até mesmo diminui, chegando a um ponto em que velocidades muito altas cortam a
produção de energia.
Figura 3.15 - Curva de potência típica de aerogeradores.
Fonte: CAMARGO, 2005
Para começar a girar e se manter em movimento, o aerogerador precisa de
uma potência de vento suficiente para sobrepor o chamado torque de arranque.
Após arrancar, a máquina pode precisar de uma velocidade ainda maior para
começar a produzir eletricidade, devido ao fato do gerador elétrico necessitar atingir
uma rotação mínima. Esta velocidade do vento é conhecida como velocidade de
início de geração ou velocidade de partida.
43
A partir da velocidade de partida, a potência produzida pelo aerogerador
aumenta até atingir o valor definido como potência nominal, estando o gerador
operando em velocidade nominal. Isto não significa necessariamente que a máquina
esteja fornecendo sua máxima potência. A partir do ponto de máxima potência
mudará o comportamento da máquina, alteração devida ao fato da turbina estar
“presa” ao seu eixo, e a força das altas velocidades do vento a deforma, piorando
suas características aerodinâmicas e diminuindo a potência produzida.
Um aerogerador pode possuir diversos sistemas de controle, destacando-se o
controle de velocidade e de orientação do rotor. A velocidade é regulada
principalmente pelos controles de passo e estol.
As pás de alguns aerogeradores podem girar sobre o eixo que as fixa ao rotor
da turbina devido à ação do vento. Essa característica mantém a rotação do
aerogerador e conseqüentemente não permite aumento na potência produzida.
Essas máquinas são chamadas de passo variável. As que não possuem este
sistema são conhecidas como de passo fixo.
A figura 3.16 mostra as curvas características idealizadas de dois
aerogeradores com e sem regulação do passo das pás, comprovando a diferença de
comportamento depois de atingida a velocidade nominal. Entre as velocidades de
início de geração (Vv0) e nominal da máquina (Vvn), os aerogeradores com e sem
regulação de passo tem comportamento semelhante, a partir da velocidade nominal,
a máquina de passo variável mantêm a potência gerada constante (GARCIA, 2005).
Figura 3.16 - Curva de potência de aerogeradores com e sem regulação de passo das pás.
Fonte: GARCIA, 2005
44
Como já foi dito anteriormente, para velocidades de vento muito altas o
aerogerador não deve continuar funcionando, pois a elevada rotação pode causar
alguns danos à máquina e encurtar sua vida útil, além de que a máquina poderia cair
pela força do vento. Por esse motivo, contam com um sistema de proteção que em
alguns casos “afastam” o aerogerador da direção do vento, outros torcem as pás até
ângulos elevados diminuindo a ação do vento. A velocidade na qual isso acontece é
denominada velocidade de saída ou velocidade de corte (Vvs) (GARCIA, 2005).
As velocidades do vento mencionadas modificam a curva que representa a
curva característica teórica do gerador elétrico, como foi mostrado na figura 3.14,
obtendo-se como resultado a curva característica do aerogerador.
O controle da orientação do rotor, para máquinas de pequeno porte, é feito
empregando modelos aerodinâmicos ao desenho do aerogerador. A esse desenho é
adaptado um leme simples, como mostra a figura 3.17 (aerogerador de pequeno
porte), que mantém o equipamento sempre direcionado no sentido do vento
predominante (PEREIRA, 2004).
Figura 3.17 - Exemplos de aerogeradores de pequeno, médio e grande porte.
Fonte: ANEEL, 1998
45
3.4 ENERGIA EÓLICA NO BRASIL
Não existem registros ou estudos no Brasil que revelem dados sobre o uso de
cata-ventos no país. No campo da geração de eletricidade, devido principalmente ao
grande potencial hidrelétrico do Brasil, as pesquisas para o uso dos ventos como
fonte de energia elétrica começaram tarde, quando comparadas com as
experiências internacionais (CASTRO, 2005).
Dentre os primeiros estudos visando o domínio da tecnologia eólica merecem
destaque os iniciados no ano de 1976 nos laboratórios do Centro Técnico
Aeroespacial (CTA), como resposta à primeira crise do petróleo de três anos antes.
Inicialmente foram desenvolvidos protótipos de pequena potência de 1 a 2 kW. Em
1979 foi construído o primeiro gerador de 5 kW com 8 metros de diâmetro, tendo
operado durante 9 meses no campo de teste da Barreira do Inferno no Rio Grande
do Norte. Em 1980 foi firmada parceria entre o CTA e o Centro Aeroespacial da
Alemanha (DFVLR) visando à construção de unidade de geração de 100 kW com 25
metros de diâmetro em projeto denominado DEBRA (Deutsche – Brasileiro). O
modelo e os moldes foram construídos no CTA, e em abril de 1983 os moldes para
fabricação das pás foram embarcados para a Alemanha onde foi construído o
primeiro protótipo, com início dos testes em julho de 1984. Ao todo foram
construídos e testados 15 protótipos até 1983, ano no qual as atividades foram
encerradas por motivos de diretrizes internas.
Em novembro de 1984, a Centrais Elétricas Brasileiras S.A. (ELETROBRAS)
firmou convênio com a Fundação Padre Leonel França, ligada à PUC-RJ, com o
objetivo de elaborar o Atlas do Potencial Eólico Nacional. Desta forma, pela primeira
vez era feito esforço no sentido de determinar a viabilidade da utilização da energia
eólica no Brasil. Os dados eólicos foram apresentados em isolinhas de velocidade
média, velocidade máxima, probabilidade de calmaria e densidade de potência de
cada uma das regiões do Brasil e a síntese para todo o país (CRESESB 1, s.d.).
Como fruto de projeto entre a Companhia Energética de Pernambuco
(CELPE), Folkcenter da Dinamarca e a Universidade Federal de Pernambuco
(UFPE), em julho de 1992 foi instalada na Ilha de Fernando de Noronha uma turbina
eólica com potência de 75 kW e três pás de 17 metros de diâmetro. Em março de
46
1996 foi inaugurado em Olinda o Centro Brasileiro de Energia Eólica (CBEE),
envolvendo profissionais da Universidade Federal de Pernambuco.
Em meados da década de 1990 começaram a ocorrer encontros visando à
discussão sobre os rumos das energias solar e eólica. Em abril de 1994 realizou-se
em Belo Horizonte o “I Encontro para Definição de Diretrizes para o
Desenvolvimento de Energias Solar e Eólica no Brasil”, promovido pelo Ministério de
Minas e Energia (MME) e Ministério da Ciência e tecnologia (MCT). Foram
elaboradas metas e diretrizes, em reunião plenária com 120 participantes de 79
entidades formulando, como resultado final, a chamada Declaração de Belo
Horizonte. Ainda neste encontro, verificou-se a necessidade da formação de um
centro de referência de energia solar e eólica no país. Como resultado, em janeiro
de 1995 iniciou as atividades o Centro de Referência para Energia Solar e Eólica
Sérgio de Salvo Brito (CRESESB), com suporte de recursos humanos e laboratoriais
do Centro de Pesquisa de Energia Elétrica (CEPEL) localizado no Rio de Janeiro
(CRESESB 1, s.d.).
O “II Encontro para o Desenvolvimento de Energias Solar e Eólica” foi
realizado em Brasília em março de 1995. Em junho de 1996 realizou-se na cidade
de São Paulo o “III Encontro para o Desenvolvimento de Energias Renováveis”,
tendo como principal objetivo a apresentação do plano nacional de Ação para o
Desenvolvimento de Energias Renováveis.
Com o contínuo desenvolvimento do setor eólico no país começaram a surgir
os primeiros mapas de potencial em nível dos estados no início da década de 2000.
Dentre estes, podem ser destacados os seguintes levantamentos de potencial
eólico:
� Ceará: no campo do aproveitamento eólico, os primeiros estudos de
viabilidade técnica, financeira e econômica no estado foram realizados
pela Companhia Elétrica do Ceará (COELCE) no início da década de
90. O atlas do potencial eólico do Ceará, lançado em 2001,
acrescentou a estas medições levantamentos feitos pelas empresas
Wobben e Thyssen em torres de 50 e 40 metros de altura.
Considerando uma altura de 70 metros e ventos a partir de 7 m/s, há
um potencial de produção de eletricidade no estado de 51,9 TWh por
ano (COELCE, 2000);
47
� Bahia: o mapeamento eólico do Estado da Bahia foi desenvolvido a
partir de medições anemométricas realizadas em 26 locais, utilizando
torres de 20 e 30 metros de altura. Os mapas resultantes apresentaram
um potencial eólico de cerca de 14,5 GW com capacidade de produção
de eletricidade de 31,9 TWh/ano (COELBA, 2000);
� Paraná: o mapa eólico do Estado do Paraná foi realizado pela
Companhia Paranaense de Energia (COPEL); o mapa revelou um
potencial de geração da ordem de 5,8 TWh por ano, considerando
ventos acima de 6,5 m/s (COPEL, 2001);
� Rio Grande do Sul: o mapeamento eólico do Estado do Rio Grande do
Sul foi realizado entre 2000 e 2002 pela Secretaria de Energia, Minas e
Comunicações (SEMC) a partir de medições anemométricas realizadas
em 21 locais, utilizando torres estaiadas de 40 e 50 metros de altura.
Os mapas resultantes apresentaram um potencial eólico de cerca de
15,8 GW (SEMC, 1998).
3.4.1 MAPA DO POTENCIAL EÓLICO BRASILEIRO
O Centro Brasileiro de Energia Eólica (CBEE), com o apoio da Agência
Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) e o Ministério de Ciência e Tecnologia (MCT),
lançou em 1998 a primeira versão do Atlas Eólico do Nordeste do Brasil (WANEB –
Wind Atlas for the Northeast of Brazil) com o objetivo principal de desenvolver
modelos atmosféricos, analisar dados de ventos e elaborar mapas eólicos confiáveis
para a região. Um mapa de ventos preliminar do Brasil, gerado a partir de
simulações computacionais com modelos atmosféricos é mostrado na figura 3.18.
48
Figura 3.18 - Mapa de ventos do Brasil
Fonte: CBEE, 1999
O atlas tornou-se possível, através de dados via satélite e pelo
desenvolvimento do MesoMap, um abrangente sistema de modelamento numérico
dos ventos de superfície. Esse sistema simula a dinâmica atmosférica dos regimes
de vento e variáveis meteorológicas correlatas, a partir de amostragens
representativas de um banco de dados validado para o período 1983/1999. O
sistema inclui condicionantes geográficas como o relevo, a rugosidade induzida por
classes de vegetação e uso do solo, a interação térmica entre a superfície terrestre e
a atmosfera, inclusive efeitos do vapor d’água presente. Os resultados, dessas
simulações são apresentados em mapas temáticos, que representam os regimes
médios de vento (velocidade, direções predominantes e parâmetros estatísticos de
Weibull) e fluxos de potência eólica na altura de 50m, na resolução horizontal de
1 km x 1 km, para todo o país (CBEE, s.d.).
Ao final da década de 1990, o Ceará tornou-se o maior produtor de energia
elétrica originária dos ventos em toda a América do Sul, com uma potência instalada
de 17,4 MW. Esta posição durou até o final de 2006, com a construção do Parque
49
Eólico de Osório, com potência instalada de 150 MW, tornando o Rio Grande do Sul
o maior produtor de energia eólica da América do Sul.
As principais características das unidades eólicas no Brasil estão listadas na
Tabela 3.2.
Tabela 3.2 - Principais características das unidades eólicas brasileira
Localização Estado Potência (MW)
Prainha Ceará 10,0
Taíba Ceará 5,0
Mucuripe Ceará 2,4
Morro do Carmelinho Minas Gerais 1,0
Palmas Paraná 2,5
Recife Pernambuco 0,225
Fernando de Noronha Pernambuco 0,225
Fernando de Noronha Pernambuco 0,075
Macau Rio Grande do Norte 1,8
Bom Jardim da Serra Santa Catarina 0,6
Horizonte Santa Catarina 4,8
Osório Rio Grande do Sul 150,0
TOTAL 178,625 MW
Fonte: ANEEL, 1998.
Figura 3.19 - Usina eólica de Prainha - CE
Fonte: CRESESB 1, s.d.
Figura 3.20 - Usina eólica de Taiba - CE
Fonte: CRESESB 1, s.d.
50
Figura 3.21 - Usina eólica de Mucuripe - CE
Fonte: CRESESB 1, s.d.
Figura 3.22 - Usina eólica de Carmelinho - MG
Fonte: CRESESB 1, s.d.
Até final de 2006, a capacidade eólica instalada no Brasil era de 28,625 MW
com turbinas eólicas de médio e grande porte conectadas à rede elétrica. Com a
conclusão do Parque Eólico de Osório no Rio Grande do Sul, o Brasil passou a ter
uma capacidade eólica de 178,625 MW. Esta obra foi financiada pela empresa
Ventos do Sul Energia S.A., fundada em 2005 para a implantação destes
aerogeradores e fazer um estudo do potencial eólico no Estado para projetos de
novos parques eólicos. Este Parque de Osório produz uma potência instalada de
150 MW e é subdivido em 3 complexos: Osório, Sangradouro e Índios que tem 75
aerogeradores planejados de 2 MW de potência cada. Cada aerogerador tem 135
metros de altura e 810 toneladas de peso.
O Parque Eólico de Osório é o maior conjunto eólico da América Latina e o
segundo maior do mundo. A energia gerada é suficiente para abastecer anualmente
o consumo residencial de aproximadamente 650 mil pessoas em Porto Alegre e será
adquirida pela ELETROBRAS por um prazo de 20 anos (JORNAL JÁ, 2000).
51
Figura 3.23 - Parque Eólico de Osório - RS
Fonte: JORNAL JÁ, 2000
As pesquisas sobre o comportamento dos ventos e a adaptação das turbinas
às condições do país estão sendo realizadas pelo Centro Brasileiro de Testes de
Turbinas Eólicas (CBTTE), ligado à Universidade Federal de Pernambuco. O CBTTE
possui duas turbinas instaladas em Olinda, com capacidade total de 580 MWh por
ano.
O Brasil possui grande potencial eólico, confirmado pelas medições
realizadas até o momento, e é possível produzir eletricidade a custos competitivos
com centrais termoelétricas, nucleares e hidrelétricas. A capacidade de geração de
energia eólica em território brasileiro é estimada em 6.000 MW. A análise dos
recursos eólicos medidos em vários locais do país, mostram a possibilidade de
geração elétrica com custos em torno de US$ 0,70 por kWh. Para acelerar o
aproveitamento das fontes alternativas, foi criado o Programa de Incentivo ás Fontes
Alternativas de Energia Elétrica (PROINFA) (CRESESB 1, s.d.).
Pré-requisitos técnicos e econômicos para a implantação de parques eólicos
da classe de MW no setor elétrico brasileiro:
� interesse declarado pelas concessionárias de energia elétrica,
motivado principalmente pela necessidade de expansão da geração de
energia elétrica;
52
� diversidade das características dos projetos quanto à localização,
aspectos topográficos e características da rede;
� possibilidade de garantias de financiamento;
� desenvolvimento da indústria nacional de sistemas eólicos;
� estabelecimento de uma legislação favorável à disseminação da
tecnologia eólica para geração de eletricidade em grande escala.
3.4.2 MAPA DO POTENCIAL EÓLICO DO PARANÁ
Em 1998 iniciou-se a análise e preparação dos modelos para o cálculo de
interpolação dos dados anemométricos para todo o território paranaense. A
extrapolação para condições a 50m de altura, filtrando os efeitos locais de relevo e
rugosidade.
O mapa temático da distribuição dos recursos eólicos sobre o Estado do
Paraná foi realizado a partir de:
� medições anemométricas obtidas por rede de 25 anemógrafos digitais,
instalados em locais especialmente selecionados dentro do Estado do
Paraná;
� ajustes climatológicos: correlação e ajuste dos dados medidos, em
relação às médias climatológicas de longo prazo (15 anos) registradas
pelas estações da rede meteorológica do IAPAR;
� modelos geográficos: modelo digital do relevo e modelo digital de
rugosidade
53
Figura 3.24 - Potencial eólico do Estado do Paraná.
Fonte: COPEL, 2001
3.5 COMPORTAMENTO DA VELOCIDADE DO VENTO COM A ALTURA
Dependendo da região selecionada, uma maior ou menor desaceleração do
vento é percebida quanto mais próximo se estiver da superfície. A rugosidade da
área determina quanto à velocidade varia com a altura referida a superfície.
O perfil de velocidades do vento com a altura pode ser definido através de
dois modelos. O conhecido como Lei Logarítmica considera a influência do terreno
através dos chamados comprimentos de rugosidade “Zo”. Como pode ser observado
na Equação 1, o valor do comprimento de rugosidade pode ser pequeno, como na
superfície das águas ou grande no caso de cidades. Esta equação define
matematicamente a Lei Logarítmica (MUELLER, 2004).
54
=
zZ
zZ
VV
o
o
vv
1
2
12
ln
ln
(1)
sendo:
Vv1 = velocidade do vento na altura Z1 (conhecida) [m/s];
Vv2 = é a velocidade do vento a determinar, na altura Z2 [m/s];
O outro modelo é conhecido como Lei de Potência, e é definido através da
Equação 2.
=
Z
ZVV vv
1
212
α
(2)
sendo:
α = coeficiente de rugosidade.
É uma aproximação menos realista e mais fácil de ser interpretada do perfil
vertical do vento, definida como uma equação exponencial simples e que se utiliza
do parâmetro “α” como expoente, que também varia com o tipo de terreno, porém de
uma maneira mais abrangente. Cada valor de “α” está associado a uma maior
quantidade de tipos de superfície e engloba mais de um valor de “Zo”, classificando
de forma mais grosseira os tipos de superfície.
Os dois modelos permitem estimar a velocidade do vento em alturas maiores
(geralmente) a partir de velocidades de vento conhecidas em altura inferior,
contribuindo para a colocação dos anemômetros a baixas alturas (10m
normalmente).
A figura 3.25 mostra que os coeficientes devem ser adequados para que os
erros encontrados não sejam grosseiros a baixas altitudes. (MUELLER, 2004).
55
Figura 3.25 - Perfil de velocidades de vento para uma velocidade média de 10 m/s a 50m.
Fonte: GARCIA, 2005
3.6 A POTÊNCIA EÓLICA
A turbina eólica transforma parte da energia cinética do vento em energia
elétrica. A potência fornecida pelo vento, expressa através da Equação 3, é
proporcional a área do rotor eólico exposta aos ventos e ao cubo da sua velocidade.
2
.. 3VAPV
ρ= (3)
sendo:
Pv = potência [W];
ρ = massa específica do ar [kg/m 3 ];
A = área varrida pelo rotor eólico [m];
V = velocidade do vento [m/s].
No entanto, a potência que pode ser realmente extraída de um regime de
ventos depende da eficiência de conversão da turbina eólica, que é representada
através de um coeficiente de potência, como é expresso na Equação 4.
56
2
...
3VACP pV
ρ= (4)
sendo:
Cp = coeficiente de potência.
Este coeficiente de potência Cp é adimensional, e depende do regime de
ventos e da velocidade rotacional do rotor eólico. Tem um limite máximo teórico de
59%. Este valor é conhecido como Limite de Betz, formulado pela primeira vez em
1919, e aplicado para todos os tipos de turbinas eólicas. Projetos modernos de
turbinas eólicas para geração de eletricidade chegam a um valor de Cp igual a 40%.
As maiores perdas de eficiência existentes em uma turbina eólica real surgem do
arraste viscoso nas pás e das perdas de potência na transmissão e no sistema
elétrico (CAMARGO, 2005).
A avaliação do potencial eólico de um local tem por objetivo determinar a
energia possível de se obter mediante um sistema eólico durante um período
determinado, visando aceitar ou não sua exploração frente a outras opções, mais ou
menos econômicas. Por isso é importante uma boa caracterização dos ventos na
fase de projeto de uma usina eólica, pois de acordo com a Equação 1, uma
incerteza de 10% na velocidade do vento empregada provoca uma incerteza de
mais de 30% na potência determinada (CAMARGO, 2005).
A figura 3.26 mostra a relação entre o diâmetro do rotor e a potência nominal
fornecida pela máquina. Devido ao fato da área varrida pelo rotor variar com o
quadrado do raio, ao duplicar o diâmetro do rotor e o vento permanecer constante, a
potência aumentará quatro vezes.
57
Figura 3.26 - Relação entre o diâmetro do rotor e a potência nominal da turbina.
Fonte: LEITE, 2005
A Equação 5 mostra que a velocidade angular do rotor é inversamente
proporcional ao diâmetro deste (CAMARGO, 2005).
drpm
1150= (5)
sendo:
rpm = rotação nominal da turbina;
d = diâmetro da turbina.
À medida que a tecnologia propicia dimensões maiores para as turbinas,
ocorre uma redução da sua rotação. Os diâmetros de rotores de aerogeradores de
grande porte, no mercado atual, variam entre 40m e 80m, o que resulta em rotações
da ordem de 30 a 15rpm, respectivamente (CAMARGO, 2005).
Usualmente, a geração elétrica dos aerogeradores inicia com velocidades de
vento da ordem de 2,5 a 3,0m/s. Abaixo desses valores, o conteúdo energético do
vento não justifica o aproveitamento.
A Equação 6 fornece uma forma simples e comum de representar as
potências extraídas do vento, que é a potência média do vento por unidade de área
da turbina (densidade de potência) (GARCIA, 2005).
58
2
..3
VKPv
A
P eV ρ== (6)
sendo:
V = velocidade média do vento no período;
Ke = o fator padrão de energia, determinado pela Equação 7.
3
3
=
∑
∑
NV
NV
Kvi
vi
e (7)
sendo:
Vvi = amostra “i” da série de velocidades do vento;
N = total de amostras.
3.7 FABRICANTES DE TURBINAS EÓLICAS DE PEQUENO E MÉDIO PORTE
Tabela 3.3 – Fabricantes de turbinas eólicas
NACIONAIS ESTRANGEIROS
Aerogeradores Sul (RS) Aerocraft (Inglaterra)
Altercoop (RJ) Aeromax Engineering (EUA)
Cataventos do Nordeste (BA) Bergey (EUA)
Eletrovento (SP) Westwind (Irlanda)
Enersud (RJ)
Fonte: CRESESB 1, s.d.
59
4 ENERGIA SOLAR
4.1 CONCEITO
Na década de 1950, cientistas descobriram que inserindo pequenas
quantidades de certas impurezas, chamadas dopantes, em um material
semicondutor, a densidade de elétrons livres poderia ser controlada. O dopante,
similar na estrutura e valência ao material semicondutor, tem um elétron a mais ou a
menos do que este. Um exemplo de dopante é o fósforo, que possui cinco elétrons
de valência e produz um semicondutor negativo (tipo N), com um elétron livre que
pode ser facilmente removido (CASTRO, 2004).
O alumínio, o boro, o índio e o gálio têm valência de três elétrons somente, e
o semicondutor resultante com sua dopagem é do tipo positivo (tipo P), que tem
lacunas onde deveriam estar os elétrons perdidos. Essas lacunas comportam-se de
maneira similar aos elétrons, exceto por sua carga, que é positiva. O conceito de
lacuna é teórico, assim como o elétron, e ambos podem ou não existir. Mas
podemos afirmar com certeza que se um deles existe, então ambos existem, porque
não podemos criar algo do nada no mundo físico.
Quando os dois tipos de semicondutores são inseridos juntamente em uma
junção PN, e os portadores possuem cargas opostas, eles se movimentam na
direção um do outro. Eles podem atravessar a junção, deplecionando a região de
onde eles se originam e transferindo sua carga para a nova região. Isso produz um
campo elétrico, chamado gradiente, que alcança rapidamente o equilíbrio com a
força de atração dos portadores em excesso. Esse campo torna-se uma parte
permanente do dispositivo, um tipo de rampa que faz os portadores tenderem a
deslizar através da junção, quando estão próximos.
O efeito fotovoltaico, que é a capacidade de uma célula solar transformar a
energia luminosa em energia elétrica, foi descoberto pelo físico Edmund Becquerel
em 1839, com a primeira aplicação prática realizada pelo Bell Laboratories no início
da década de 1950 (CRESESB 2, s.d.).
No interior de célula de silício há duas camadas de impurezas: uma delas é
dopada com um elemento que tende a absorver elétrons. A área de contato entre as
camadas é chamada de junção PN.
60
A energia luminosa na forma de fótons cria um movimento de elétrons através
da junção PN (circulação de corrente quando existe uma carga acoplada). A
interligação em série e/ou paralelo das células forma um conjunto. Os conjuntos
podem ser agrupados em arranjos para compor uma fonte de energia de maior
capacidade.
Vários materiais e tipos de estruturas são usados na produção de células
fotovoltaicas. Atualmente o silício é o material mais utilizado, devido ao
conhecimento tecnológico adquirido sobre ele e a facilidade de se encontrar na
natureza. As formas de semicondutores de silício mais conhecidas são o silício
monocristalino, o amorfo e o policristalino.
A tecnologia mais utilizada é a de camadas ativas compostas de filmes finos
policristalinos ou amorfos, depositados em um substrato eletricamente passivo ou
ativo. Outras tecnologias utilizam silício com menor nível de pureza, lâminas de
silício com seção quadrada, silício na forma de placas ou fitas e esferas de silício
monocristalino (CRESESB 2, s.d.).
Outros materiais pesquisados para uso na tecnologia fotovoltaica são o
arseneto de gálio e o sulfeto de cádmio.
O painel solar é o conjunto de células fotovoltaicas interligadas e dispostas
em uma estrutura de sustentação que utiliza materiais comuns, devendo possibilitar
o agrupamento e interligação dos elementos de forma simples. O arranjo pode
dispor de equipamento para orientação do painel conforme o movimento do Sol.
Figura 4.27 - Conjunto de módulos fotovoltaicos.
Fonte: CRESESB 3, 1999
61
Alguns métodos de fabricação de células fotovoltaicas utilizam materiais
perigosos, tais como o seleneto de hidrogênio e solventes. A destruição dos
conjuntos que contêm cádmio ou outros materiais pesados pode originar danos ao
meio ambiente, mas existe a alternativa da reciclagem. Isso minimiza os efeitos
danosos à natureza, além de ser viável economicamente (CASTRO, 2004).
Os custos do sistema fotovoltaico são determinados principalmente pela área
do coletor que, por sua vez, depende da eficiência com que a insolação é convertida
em eletricidade. Isso é verdadeiro para a célula plana (onde a área principal é de
material fotovoltaico ativo) e também para concentradores (área coberta por lentes
ou espelhos).
A eficiência do sistema depende da fração de energia solar que atinge a
célula e que é convertida em potência elétrica (tensão x corrente). A eficiência
máxima é obtida quando a potência é máxima (CASTRO, 2004).
4.2 VIDA ÚTIL DO SISTEMA FOTOVOLTAICO
Testes práticos e de laboratórios demonstraram que a vida útil dos módulos
fotovoltaicos é superior a 20 anos.
Os outros componentes do sistema apresentam vida útil variável: baterias
entre 5 a 15 anos, e os componentes eletrônicos em torno de 10 anos
(CRESESB 3, 1999).
4.3 COMPONENTES DE UM SISTEMA FOTOVOLTAICO
Os componentes principais de um sistema fotovoltaico de produção de
energia elétrica são: conjunto de painéis fotovoltaicos, regulador de tensão, sistema
de armazenamento de energia (baterias) e inversor de corrente alternada. O painel
solar consiste num conjunto de células fotovoltaicas interligadas. Estes componentes
são detalhados no item 5.2, os mesmos usados em sistemas híbridos.
62
Figura 4.28 - Esquema de um gerador fotovoltaico básico.
Fonte: CASTRO, 2004
4.4 POTÊNCIA E ENERGIA GERADAS
A potência gerada (Pg) depende basicamente de dois fatores: a insolação
horária incidente no painel coletor e a potência instalada.
RsAPg ××=η (8)
sendo:
η: rendimento do sistema, composto pelo rendimento do painel solar mais o
rendimento do sistema de condicionamento da potência.
A: área do painel solar [m2].
RS: radiação solar incidente em função do tempo [kW/m2].
Observação: a potência instalada é considerada como a potência obtida pelo
conjunto receptor durante o período de insolação máxima.
O rendimento ou eficiência de um coletor solar é a relação entre a quantidade
útil de calor recolhido num dado período e a irradiação total no mesmo tempo.
Existem critérios diferentes para determinação da potência instalada,
dependendo das condições de insolação local, do tipo de configuração (com sistema
de armazenamento ou não) e do tipo de utilização (CASTRO, 2004).
63
O valor típico utilizado para a radiação solar máxima é de 1kW/m², que é o
valor de referência na fabricação das células.
O rendimento da célula solar depende do material utilizado na sua fabricação,
das técnicas de fabricação, temperaturas e outros fatores externos. O rendimento do
conjunto de células é um pouco menor do que a soma total devido às interligações,
eficiência óptica da cobertura frontal do conjunto e ao descasamento ente as
características internas.
O rendimento na parte do condicionamento de potência depende basicamente
da potência de entrada do inversor, indo de zero (entrada mínima de potência
nominal) até 15% para 100% da potência nominal (GARCIA, 2004).
A tabela 4.4 relaciona rendimentos obtidos com algumas tecnologias
comerciais.
Tabela 4.4 - Relação de rendimentos obtidos com algumas tecnologias comerciais
Tecnologia Célula
η (%)
Conjunto
η (%)
Silício monocristalino 15 13
Silício policristalino 12 11
Fitas e placas 11 10
Silício amorfo 9 9
Filmes finos 7 6
Fonte: CASTRO, 2004
Estratégias para solucionar problemas de limitação na eficiência:
� a luz que é refletida, ou perdida, pela superfície da célula pode ser
minimizada por meio de tratamento da superfície;
� a perda da luz que é refletida por contatos elétricos na parte frontal
da célula pode ser minimizada com a utilização de contatos elétricos
transparentes;
� a quantidade da luz que passa através do material semicondutor sem
colidir com algum elétron pode ser limitada pela seleção de materiais
com alto índice de absorção. Alguns tipos de filmes possuem
64
espessura inferior a 1 mícron, absorvendo 90% da luz solar. Cristal
simples e silício policristalino devem possuir espessura entre 50 e 150
mícrons para apresentar absorção efetiva;
� elétrons e lacunas criados pelos fótons podem se recombinar antes
de alcançar a junção e formar corrente elétrica. Ligas de hidrogênio
são usadas para prevenir essa recombinação em materiais
policristalino e amorfos (não-cristalinos);
� a resistência elétrica no interior do semicondutor pode ser minimizada
durante a etapa de projeto.
A energia anual gerada por um sistema fotovoltaico é:
anohFcPEg /8760××= (9)
sendo:
Fc: fator de capacidade, que depende de fatores como disponibilidade de
insolação, perdas no sistema e capacidade instalada dos principais componentes.
Valores típicos estão entre 25% e 30%.
Quando for feita a instalação, os painéis devem ser posicionados de modo
que recebam o máximo de energia solar ao longo do dia, durante todos os meses do
ano. A condição ótima seria o painel instalado em um mecanismo que mantivesse o
painel perpendicular aos raios solares ao longo do dia, Contudo, esse mecanismo
aumentaria significativamente os custos do projeto, tornando-o inviável.
Na prática costuma-se instalar os painéis com uma inclinação intermediária
de forma a maximizar o aproveitamento da energia, tornando o sistema simples e
comprometendo pouco o sistema, pois as maiores perdas irão ocorrer no início da
manhã e no final da tarde, coincidindo com os períodos em que a intensidade da
radiação solar é baixa. O momento do dia em que ocorre a maior insolação está
compreendido entre as 11h e às 14h, quando o painel irá ter sua face bem
posicionada com relação ao sol (MACIEL, s.d.).
65
O ângulo entre a horizontal e o painel solar deve ser igual à latitude do local,
sendo que no hemisfério norte o painel deve estar voltado para o Sul, enquanto que
no hemisfério Sul deve estar voltado para o Norte. Na figura 4.29, “α” é o ângulo
azimutal, ou seja, o ângulo entre a projeção horizontal na componente normal ao
plano do painel e o Norte, “β” por sua vez é o ângulo que corresponde à inclinação
entre o painel solar e a horizontal e “θs” é o ângulo entre o feixe de radiação direta
que incide no plano do painel e a reta normal ao mesmo.
Figura 4.29 - Ângulo azimutal (α) e ângulo de inclinação (β).
Fonte: RODRIGUEZ, 2005
O local de instalação do painel deve ser limpo e sem presença de obstáculos
que possam sombrear o painel além de estar situado o mais próximo possível das
cargas que serão atendidas. O painel não deverá estar situado a mais de 10m da
bateria e o centro de distribuição dos circuitos para as cargas (MACIEL, s.d.).
Geralmente, a potência dos módulos é dada pela potência de pico (watt de
pico) correspondente à condição ambiental de referência, que é de 25ºC para a
temperatura e radiação incidente igual a 1000W/m2 (CASTRO, 2004).
Tão necessário quanto este parâmetro, existem outras características
elétricas que melhor caracterizam o funcionamento do módulo. As principais
características elétricas dos módulos fotovoltaicos são: voltagem de circuito aberto,
corrente de curto-circuito, potência máxima, voltagem de potência máxima, corrente
de potência máxima (CRESESB 2, s.d.).
Os principais fatores que influenciam nas características elétricas de um
sistema fotovoltaico são a intensidade luminosa e a temperatura das células. Na
66
figura 4.30 pode-se observar que a corrente gerada nos módulos do painel aumenta
linearmente com o aumento da Intensidade luminosa.
Figura 4.30 - Efeito causado pela variação de intensidade luminosa.
Fonte: CRESESB 2, s.d.
Por outro lado, o aumento da temperatura na célula faz com que a eficiência
do módulo caia abaixando assim os pontos de operação para potência máxima
gerada. A figura 4.31 mostra o comportamento de diferentes curvas de temperatura
em função da corrente e tensão e o ponto de operação para cada curva.
Figura 4.31 - Efeito causado pela variação da temperatura.
Fonte: CRESESB 2, s.d.
67
4.5 PROJETOS IMPLEMENTADOS NO BRASIL
Atualmente, os sistemas fotovoltaicos vêm sendo utilizados em instalações
remotas possibilitando vários projetos sociais, agropastoris, de irrigação e
comunicações. As facilidades de um sistema fotovoltaico tais como: modularidade,
baixos custos de manutenção e maior vida útil, fazem com que sejam de grande
importância para instalações em lugares isolados. Além destes fatores, o
crescimento na utilização de energia fotovoltaica deve-se também ao fato de que
todo o território nacional apresenta um alto índice de radiação solar.
Instalações residenciais e comerciais também começaram a fazer uso desta
tecnologia limpa e renovável. Um dos fatores que impossibilitava a utilização da
energia solar fotovoltaica em larga escala era o alto custo das células fotovoltaicas.
As primeiras células foram produzidas com o custo de US$600/W para o programa
espacial. Com a ampliação dos mercados e várias empresas voltadas para a
produção de células fotovoltaicas, o preço tem reduzido ao longo dos anos podendo
ser encontrado hoje, para grandes escalas, o custo médio de US$ 8,00/W
(CRESESB 3, 1999).
Exemplos de sistemas fotovoltaicos instalados no Brasil:
� no município de Capim Grosso - BA, o sistema de bombeamento
fotovoltaico é formado por 16 painéis M55 Siemens. Devido às variações
sazonais do nível da água no açude, a solução mais prática foi a
instalação do sistema em uma balsa flutuante.
Figura 4.32 - Sistema de bombeamento fotovoltaico para irrigação
Fonte: CRESESB 3, 1999
68
� sistema de cabine telefônica instalado em todo Estado de Alagoas
utilizando painéis fotovoltaicos.
Figura 4.33 - Telefonia pública utilizando energia fotovoltaica: Maceio/AL
Fonte: CRESESB 3, 1999
� projeto de sistemas fotovoltaicos domiciliares: instalados na Amazônia
Figura 4.34 – Sistema fotovoltaico residencial: Amazônia
Fonte: CRESESB 3, 1999
69
� Iluminação publica: Ipatinga – MG
Figura 4.35 – Sistema fotovoltaico para iluminação pública: Ipatinga - MG
Fonte: CRESESB 3, 1999
� Telefone público via satélite: Bahia
Figura 4.36 – Sistema fotovoltaico para telefones públicos: Bahia
Fonte: CRESESB 3, 1999
70
4.6 FABRICANTES DE PAINÉIS FOTOVOLTAICOS
Tabela 4.5 – Fabricantes de painéis fotovoltaicos
NACIONAIS ESTRANGEIROS
Alternativa Solar Ltda (MG) Kyocera (Japão)
Brasol Energia Solar (MG) Sharp (Japão)
Heliodinâmica S.A. (SP) Siemens (Alemanha)
ASE (EUA)
Photowatt (França)
Anet (Itália)
Isofoton (Espanha)
Fonte: CRESESB 2, s.d.
4.6.1 MODELOS DE MÓDULOS FOTOVOLTAICOS
Figura 4.37 - Módulo fotovoltaico Kyocera
Fonte: CRESESB 2, s.d.
Figura 4.38 - Módulo fotovoltaico Siemens
Fonte: CRESESB 2, s.d.
71
5 SISTEMAS HÍBRIDOS
Sistemas híbridos de energia são sistemas autônomos de geração elétrica
formados por duas ou mais fontes de produção de energia operando em conjunto
para atender a demanda de um consumidor comum. Estes sistemas combinam
fontes de energia renovável e geradores convencionais.
Sistemas híbridos são adequados para atender as necessidades energéticas
de locais isolados devido ao alto custo da eletrificação de lugares com baixa
demanda e de difícil acesso. Geralmente, os sistemas isolados eletrificados utilizam
geração termelétrica com grupos geradores diesel (GARCIA, 2004).
O objetivo destes sistemas é produzir o máximo de energia possível das
fontes renováveis, como por exemplo: o sol e o vento, enquanto mantidas a
qualidade da energia e a confiabilidade especificadas para o projeto.
Figura 5.39 - Exemplo de sistema híbrido.
Fonte: CRESESB 2, s.d.
72
5.1 SISTEMA HÍBRIDO EÓLICO-SOLAR
Este tipo de sistema híbrido aproveita duas fontes renováveis de energia,
solar (painel fotovoltaico) e eólico (aerogerador).
Além das fontes de energia elétrica, esse sistema possui um acumulador de
energia, formado por um banco de baterias. Com a utilização de um banco de
baterias existe a necessidade de associar também um controlador de carga e
descarga, para aumentar sua vida útil e garantir que exista energia disponível para
atender ao uso determinado (BLASQUES, 2005).
Figura 5.40 - Sistema híbrido instalado no Chile
Fonte: SOLTEC, 2003
73
Exemplos de sistemas híbridos instalados no Brasil:
Sistema híbrido para telecomunicações da Embratel
Local Ilha de Fernando de Noronha, Pernambuco
Data de instalação Maio de 1997
Projeto CBEE
Aplicação Telecomunicações. Geração de energia para a estação terrena da Embratel na Ilha de Fernando de Noronha.
Características técnicas
Turbina eólica com potência nominal de 6kW
Sistema fotovoltaico com 4,2Wp
Consiste no maior sistema híbrido eólico/solar
para telecomunicações da América.
Figura 5.41 - Sistema híbrido em Fernando de Noronha
Fonte: ANEEL, 1998
74
Sistema híbrido para Tamaruteua
Local Marapanim, Pará
Data de instalação Julho de 1999
Projeto Grupo de Estudos e Desenvolvimento de Alternativas Energéticas - GEDAE e Centro Brasileiro de Energia Eólica - CBEE
Aplicação Eletrificação rural. Energia elétrica para uma vila com 40 famílias.
Características técnicas
Duas turbinas eólicas de 10kW
Sistema fotovoltaico com 1,9Wp
Um grupo grupo motor-gerador de 30kVA
Figura 5.42 - Projeto Tamaruteua
Fonte: CBEE, s.d.
Sistema híbrido para Joanes
Local Ilha de Marajó, Pará
Data de instalação Julho de 1997
Projeto Centro de Estudos e Pesquisas da Eletrobrás - CEPEL e NREL/USA
Aplicação Eletrificação rural. Energia elétrica para uma vila com 150 consumidores.
Características técnicas Quatro turbinas eólicas de 6kW
Sistema fotovoltaico com 10,2kWp
75
Sistema híbrido para Praia Grande
Local Ilha de Marajó
Data de instalação Julho de 1999
Projeto Grupo de Estudos e Desenvolvimento de Alternativas Energéticas - GEDAE
Aplicação Telecomunicações. Geração de energia para a estação terrena da Embratel na Iha de Fernando de Noronha.
Características técnicas Duas turbinas eólicas de 10kW e 15kW
Dois geradores diesel de 7,5kW cada
Figura 5.43 - Projeto Praia Grande
Fonte: CBEE, s.d.
5.2 PARTES DE UM SISTEMA HÍBRIDO EÓLICO-SOLAR
Este tipo de sistema possui uma série de componentes adicionais às
unidades geradoras e quanto maior a necessidade de confiabilidade, mais complexo
ele será. Em sistemas que utilizam banco de baterias para o armazenamento existe
a necessidade de associar também um controlador de carga e descarga, para
aumentar sua vida útil e garantir que exista energia disponível para atender ao uso
determinado. Se o uso for em CC deve-se alimentar diretamente a carga através de
uma rede de distribuição. Se o uso for em CA é necessário que seja adicionado um
76
inversor de freqüência, para que a alimentação esteja compatibilizada com aquela
para qual à carga foi projetada. Se o sistema for utilizado para substituir a
alimentação de uma rede de concessionária, o mesmo precisa ter um chaveamento
seguro que evite um possível paralelismo das fontes, dependendo do caso utilizando
um sistema automatizado e supervisionado por software, aumentando assim ainda
mais a eficiência do conjunto e prevenindo contra descasamento de freqüências
entre fases (BLASQUES, 2005).
Figura 5.44 - Partes de um sistema híbrido eólico-solar
Fonte: SOLTEC, 2003
inversor
baterias
disjuntores
controlador de carga
77
5.2.1 UNIDADES GERADORAS
As unidades geradoras de um sistema híbrido eólico-solar já foram
demonstradas nos capítulos anteriores. Para se efetuar o dimensionamento dos
equipamentos a serem utilizados em um projeto de pequeno porte existe a
necessidade de que se saiba a carga que será alimentada ou o potencial disponível
e assim aproveitá-lo da melhor forma possível (CRESESB, s.d.).
De posse das informações determina-se o valor da potência do aerogerador
e dos painéis fotovoltaicos.
Para tal deve-se satisfazer a Equação 10 de balanço:
apc EEE +≤ (10)
sendo:
Ec = demanda [W];
Ep = parcela de energia fornecida pelo sistema fotovoltaico [Wp];
Ea = parcela de energia fornecida pelo sistema eólico [W];
5.2.2 RETIFICADORES
No caso de sistemas com armazenamento as unidades geradoras devem
entregar a energia em CC. Painéis fotovoltaicos já possuem esta forma em seus
terminais, em aerogeradores pode-se encontrar nas duas formas CC ou CA, se o
equipamento for do tipo CA há a necessidade de retificar a saída e assim
transformá-la em CC para que esta energia possa estar sendo represada nos
acumuladores (baterias).
A retificação pode ser feita de duas maneiras, a primeira é com um conversor
rotativo, que nada mais é que dois motores acoplados mecanicamente, um CC e
outro CA. Alimenta-se o motor CA com a unidade geradora CA e faz-se com que o
78
motor CC trabalhe como um gerador. A segunda forma é através de retificadores
estáticos, constituídos de pastilhas semicondutoras. São equipamentos eletrônicos e
que em aerogeradores de pequeno porte já fazem parte de sua construção.
5.2.3 BANCO DE BATERIAS
São dispositivos eletroquímicos que tem como finalidade o armazenamento
de energia elétrica em CC, associados em série ou paralelo, formando assim um
acumulador (bateria), o agrupamento de acumuladores constitui um banco de
baterias.
Eles possuem um conjunto de placas, chamados eletrodos, imersas em
solução iônica, que serve de meio de condução para os elétrons polarizados, e
através de reações químicas nas placas fazem a conversão de energia elétrica em
energia química, para assim poder armazená-la, e quando for exigida uma corrente
elétrica por uma carga externa, as reações químicas internas ao acumulador
convertem novamente todo o potencial armazenado em eletricidade.
Temos diversos tipos de acumuladores e o que os diferenciam principalmente
são os materiais de que são feitos os eletrodos, um par de eletrodos individualmente
normalmente trabalha com uma tensão próxima a 2V. Na figura 5.45 vê-se um
exemplo para alcançar 24V, para definir qual a tensão do conjunto efetuam-se
combinações série/paralelo destes eletrodos.
Figura 5.45 - Ligação série de elementos eletroquímicos formando uma bateria de 24V.
Fonte: URBANETZ, 2005
A especificação da capacidade de um acumulador é dada pela unidade
ampére-hora [Ah], que traduz o nível de corrente de descarga multiplicado pelo
tempo de sua duração (URBANETZ, 2005).
79
A solução eletrolítica deve ser adequada aos eletrodos, para elevar o
rendimento do acumulador, podendo ser líquida ou em forma de gel. Também a
tecnologia de seu invólucro influencia diretamente no item durabilidade, tanto para
suportar os esforços mecânicos que podem ocorrer quanto pela sua estanqueidade
para controlar a evaporação da solução eletrolítica, isto define se o acumulador
possui manutenção, baixa manutenção ou nenhuma manutenção.
Um fator determinante da duração do componente é o controle de carga e
descarga de cada elemento, os fabricantes estabelecem limites através de cálculos
e testes para prolongar sua vida útil que é determinada em ciclos de carga e
descarga. Este ciclo é uma função dos materiais que compõem o acumulador,
definindo assim a profundidade de descarga aceitável que não danifique as placas
quimicamente fazendo assim que se tenha novamente um ciclo de carga atingindo
os valores nominais especificados pelo fabricante.
Quanto mais desenvolvido o acumulador maior seu valor de aquisição, e na
aplicação em um sistema híbrido de pequeno porte o banco de baterias é o item que
possui o menor tempo de vida útil, necessitando a sua troca em intervalos de
tempos de até 4 anos, dependo da tecnologia aplicada e do controle de uso que
deve ser feito preferencialmente por um controlador de carga. Nestes termos uma
alternativa econômica é a utilização de baterias automotivas, preferencialmente
acumuladores selados (nenhuma manutenção) para obter ganhos em durabilidade.
Figura 5.46 - Exemplos de baterias usadas em sistemas fotovoltaicos.
Fonte: SOLENERG, 2004
80
5.2.4 SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO
Através do sistema de distribuição é que se consegue entregar a energia
gerada para o consumidor, ou seja, para alimentar a carga.
Também existem diversas formas de concepção para o dimensionamento dos
condutores empregados levando-se em conta a distância entre o centro de controle
e o consumo e os níveis de tensão e corrente que serão exigidos pelo conjunto de
cargas. Neste item também se apresentam as proteções que devem ser instaladas
para impedir que usuários sofram acidentes e evitar possíveis danos a
equipamentos ligados ao sistema de distribuição.
5.2.5 CONTROLADORES DE CARGA
O controlador de carga é o elemento responsável em gerenciar toda a energia
do sistema, tanto das unidades geradoras para as baterias como para as cargas
diretamente e das baterias para as cargas também. Eles auxiliam a manter o
equilíbrio de fornecimento de energia para as baterias em função da sazonalidade
da geração (a geração depende das características meteorológicas e períodos
diurnos e noturnos), mantendo assim os níveis aceitáveis de carga e descarga
máximos do banco garantindo assim ao máximo a vida útil deste último
(BLASQUES, 2005).
Observa-se a existência de dois tipos de controladores de carga que são série
e paralelo. A figura 5.47 (a) mostra o tipo série onde retira-se a geração da linha que
carrega o banco e alimenta a carga, este tipo não é recomendado para
aerogeradores, pois ao desconectá-lo pode-se perder o controle de velocidade da
máquina, para este caso recomenda-se o controlador paralelo, representado na
figura 5.47 (b), este ao retirar a linha de carga do banco mantêm a geração em curto
circuito para dissipar a potência que ainda está sendo gerada.
81
Figura 5.47 - Tipos de chaveamentos em controladores de carga: (a) série (b) paralelo.
Fonte: BLASQUES, 2005
Exemplos de controladores de carga disponíveis no mercado:
Figura 5.48 - Controlador de Carga SunSaver
Fonte: SOLENERG, 2004
Figura 5.49 - Controlador de Carga ProStar
Fonte: SOLENERG, 2004
5.2.6 INVERSORES DE FREQUÊNCIA
Inversores de freqüência são equipamentos que transformam uma tensão de
entrada CC em tensão de saída CA, podendo ser feito de duas formas: com
inversores rotativos ou então podem ser estáticos, totalmente eletrônicos, os mais
usados nos dias de hoje. Encontram-se também as mais diversas faixas de potência
de trabalho, uma vez que os elementos internos ao equipamento precisam suportar
as exigências de corrente e tensão da carga alimentada. O inversor faz com que a
energia que se encontra nas baterias seja revertida para uma forma a qual os
equipamentos eletro-eletrônicos conseguem utilizar para seu funcionamento
adequado.
82
Os inversores estáticos possuem diversas tecnologias construtivas, dentre
elas pode-se citar o controle por largura de pulso (pulse width modulation – PWM) e
também os inversores de pulso ressonante (BLASQUES, 2005).
Os inversores mais utilizados em sistemas híbridos são os PWM, na
figura 5.50 podem ser observadas as formas de onda possíveis de obter em sua
saída: quadrada, quadrada modificada ou senoidal. Leva-se em conta para sua
especificação a potência demandada máxima, nível de tensão de trabalho das
cargas e que a forma de onda seja aceita pelo tipo de carga a ser conectada em sua
saída, podendo assim alimentar sem restrição os mais diversos equipamentos:
Figura 5.50 - Formas de ondas obtidas através de modulação PWM.
Fonte: BLASQUES, 2005
Exemplos de inversores disponíveis no mercado:
Figura 5.51 - Inversor Xantrex
Fonte: SOLENERG, 2004
Figura 5.52 - Inversor Isoverter
Fonte: SOLENERG, 2004
83
5.2.7 SISTEMA DE PROTEÇÃO
Como qualquer sistema elétrico de potência, necessita de proteções contra
sobrecargas, curto circuitos, sobretensões e funcionamento indevido, para evitar
acidentes com operadores e usuários, preservar equipamentos, garantindo assim
um bom funcionamento do conjunto. Para a proteção deste sistema será instalado
um disjuntor geral dimensionado de acordo com a corrente total do conjunto.
84
6 ESTAÇÃO RÁDIO BASE – ERB
A escolha do lugar onde será instalada uma nova ERB é determinada de
acordo com a necessidade de criar ou ampliar o sinal de transmissão de celular em
determinada região. O sinal de celular tem um limite de abrangência que se estende
entre 5 a 10 km dependendo da freqüência.
Quando uma operadora contrata uma empresa para fazer a instalação de
uma Estação de telefonia celular, ela não esta preocupada com os problemas que
possam ocorrer durante o cronograma da obra. A empresa contratada deve entregar
toda a infra-estrutura para o funcionamento do site em data estabelecida,
independente de como será feita a alimentação da ERB.
Em muitos casos, existe a necessidade de fazer o pedido de extensão de
rede a concessionária local. Normalmente levam-se alguns meses para aprovar uma
extensão de rede, comprometendo a conclusão da obra. Quando isto acontece, as
empresas são obrigadas a instalar um grupo gerador para alimentar provisoriamente
a ERB.
Figura 6.53 – Exemplo de ERB: BR 277, Km 41
85
A infra-estrutura de uma Estação de celular é composta basicamente por:
� entrada de energia bifásica 220V/50A;
� malha de terra;
� estrutura vertical: torre ou poste;
� obras civis: fundação, alambrado;
� sistema irradiante: cabos e antenas;
� bastidor de energia de telecomunicações (ERB)
O bastidor é responsável por todo o gerenciamento de uma ERB, ou seja,
comunica-se através de uma interface digital serial com os retificadores e
conversores do sistema. Neste controle está incluído a definição da tensão de saída
do conversor, tensão de saída do retificador, limite de corrente, desligamento por
alta tensão, religamento do retificador e sequenciamento. A figura 6.54 apresenta
um diagrama de blocos básico do Bastidor de Energia Siemens e ilustra a
disposição e as interconexões dos componentes do sistema desde a entrada de CA
até a saída de CC. O sistema de energia recebe corrente alternada, de rede
comercial (concessionária) ou de uma fonte de alimentação de emergência CA
(grupo gerador) e a retifica para produzir alimentação CC para os equipamentos. Os
controles do sistema e as funções de alarme interagem com os retificadores e a
central. Além disso, o sistema fornece proteção contra sobrecorrente, além dos
mecanismos de carga, descarga e distribuição. As baterias de reserva fornecem
automaticamente uma fonte de alimentação CC , em caso de falha da alimentação
CA comercial ou de emergência. As baterias de reserva são dimensionadas para
fornecer alimentação de CC durante um período de tempo especifico. A capacidade
das baterias é dimensionada para, em condições normais, fornecer de 3 a 5 horas
de tempo de reserva (SIEMENS, 1998).
86
Figura 6.54 - Diagrama de blocos do bastidor Siemens.
Fonte: SIEMENS, 1998
Funcionamento de uma ERB:
� a entrada de CA conecta as fontes de alimentação comercial ou de
emergência aos retificadores dentro do sistema, fornecendo
proteção contra sobrecorrente;
87
� os retificadores convertem a tensão de alimentação CA em tensão
de 24 volts CC, necessária para a carga e flutuação das baterias, e
para alimentar os conversores do sistema e equipamentos
utilitários;
� os conversores convertem a saída de 24 Volts CC dos retificadores
em uma tensão de -48 Volts CC necessária a alimentação dos
equipamentos utilitários;
� o controlador fornece as funções de controle, monitoramento e
diagnostico, tanto locais quanto remotas, necessárias a
administração do sistema de alimentação;
� as baterias fornecem energia para uma alimentação dos
equipamentos durante a falta de CA ou falha nos retificadores;
� a distribuição de CC fornece proteção contra sobrecorrente, pontos
de conexão para os equipamentos utilitários e barramentos para
interconexão com os retificadores, baterias e distribuição de CC;
Além destes equipamentos que fazem parte de uma ERB, temos ainda as
placas de telecomunicações e componentes eletrônicos como: painel de controle,
placa de relé e placa de alarme.
A potência de uma ERB varia de acordo com a intensidade de chamadas de
celulares ocorridas a cada instante e está ligada diretamente ao consumo do ar
condicionado, ou seja, em períodos mais quentes o bastidor consome mais energia.
No caso da tecnologia do bastidor SIEMENS, esta potência pode variar de 1 a 3 kW.
Para dimensionar corretamente os componentes de um sistema híbrido eólico-solar
para alimentar uma ERB deve-se medir a corrente no local, a fim de obter um valor
de potência mais preciso.
6.1 EXTENSÃO DE REDE
Para entrar com um pedido de extensão de rede, a empresa solicitante deve,
primeiramente, ter o alvará da obra. Além disso, o solicitante deverá apresentar a
88
planta do loteamento com as devidas aprovações junto a Prefeitura Municipal da
cidade e Órgãos Ambientais, juntamente com a via do termo de compromisso
devidamente assinada pela empresa (COPEL, 2001).
Para a conclusão do projeto final será feito o levantamento de todo custo
referente a este tipo de extensão de rede, que fica a cargo da empresa solicitante,
tais como: postes, cabos, transformador, acessórios e mão-de-obra.
6.2 GRUPO MOTOR-GERADOR
Os geradores têm sido historicamente o meio mais comum para fornecer
energia elétrica a instalações isoladas. O grupo gerador transforma a energia
térmica proveniente da combustão em energia elétrica. Ele é formado basicamente
por um motor a combustão interna acoplado mecanicamente a um gerador elétrico.
O combustível mais comumente utilizado neste tipo de aplicação é o óleo diesel.
Para alimentar ERBs utiliza-se geradores de pequeno porte, com potência
nominal que varia entre 10 e 15kVA.
No custo da energia fornecida participam os custos do combustível, do seu
transporte e armazenamento no local, assim como os de manutenção e
funcionamento das unidades de geração, custos que geralmente aumentam a cada
ano, aumentando o custo da energia fornecida (AMBIENTE BRASIL, 2000).
Figura 6.55 - Grupo motor gerador
89
6.2.1 IMPACTOS AMBIENTAIS
A utilização do gerador diesel constitui uma fonte de emissões de poluentes
para a atmosfera, cujos efeitos nem sempre são contabilizados em sua totalidade.
As emissões provenientes dos motores do ciclo Diesel são classificadas em
dois grandes grupos. O primeiro se refere às emissões próprias, isto é, inerentes a
combustão interna que se opera durante o funcionamento do motor. O segundo
grupo está associado às emissões indiretas, ou seja, aquelas relacionadas com o
processo de produção do combustível. Enquanto que as emissões próprias ocorrem
no momento em que o motor está funcionando, as emissões indiretas, já teriam
acontecido, anteriormente, quando o combustível empregado para a geração de
eletricidade, estava em fase de preparação nas refinarias de petróleo (AMBIENTE
BRASIL, 2000).
Figura 6.56 - Fases das emissões de poluentes.
Fonte: AMBIENTE BRASIL, 2000
Várias substâncias poluentes são emitidas para a atmosfera pelos motores
diesel. O mesmo ocorre no processo de elaboração deste combustível nas
refinarias. Uma descrição sucinta das características destas substâncias é feita, em
seguida:
� monóxido de carbono (CO) – resulta da oxidação parcial do carbono, que é
regida pela quantidade de oxigênio disponível no momento da queima. A
relação ar combustível adotada pode aumentar, de maneira considerável, a
quantidade de CO emitida. Esta substância é conhecida pelo seu efeito letal
90
quando inalada, pois combina com a hemoglobina do sangue, diminuindo a
capacidade de oxigenação do cérebro, do coração e de outros tecidos
orgânicos. Pode provocar tonturas, dor de cabeça, sono e redução de
reflexos, chegando em caso extremo, dependendo das condições de
confinamento, resultar em morte. Sua ação maior é de efeito local,
abrangendo áreas próximas das fontes emissoras.
� óxidos de enxofre (SOx) – resultam da oxidação do enxofre existente no
combustível. Os óxidos de enxofre se absorvidos pelo trato respiratório
superior podem provocar tosse, sensação de falta de ar, respiração ofegante,
rinofaringites, diminuição da resistência orgânica às infecções, bronquite
crônica e enfisema pulmonar. A ação dos óxidos de enxofre ocorre a nível
local, regional e continental. O dióxido de enxofre ao reagir na atmosfera
propícia a formação de partículas de ácido sulfúrico e de sais de sulfato,
podendo, também, participar na composição da chuva ácida.
� dióxido de carbono (CO2) – na acepção da palavra não tem sido considerado
como um poluente devido a sua baixa toxidade. Entretanto, devido a sua
intensa participação nos desequilíbrios que afetam o efeito estufa e das
implicações a nível global, há uma atenção particular quanto a emissão desta
substância que é objeto de acompanhamento e supervisão permanente por
diversos organismos nacionais e internacionais.
91
7 O CASO DA ESTAÇÃO ANTONINA/PR
Conforme já descrito no capítulo 6, a instalação de novas ERBs é
determinada de acordo com a necessidade de criar ou ampliar o sinal de
transmissão de celular em determinada região. Na cidade de Antonina já existem
estações celulares localizadas no centro da cidade, mas existe a deficiência deste
sinal nos arredores da cidade. A nova ERB foi construída na entrada da cidade onde
o sinal era mais fraco.
O local escolhido foi o Morro da Caixa d’Água, mostrado nas figuras 7.57 e
7.58. Este lugar é desprovido de uma rede de distribuição elétrica. A linha de
distribuição mais próxima esta localizada a 450m. Em conseqüência disto, houve a
necessidade de fazer o pedido de extensão de rede à concessionária COPEL. Como
a extensão de rede seria concluída depois do prazo limite para conclusão da obra, a
empresa teve a necessidade de alugar um grupo gerador para alimentar
provisoriamente a ERB.
O grupo motor-gerador foi utilizado por um período de 2 meses. Os gastos
com o aluguel deste gerador e sua manutenção bem como os custos da extensão de
rede serão descritos a seguir.
Figura 7.57 – ERB de Antonina/PR
Figura 7.58 – Distância da rede de distribuição elétrica
92
7.1 GRUPO MOTOR-GERADOR
Para o caso em estudo, na Estação Antonina, utilizou-se um grupo gerador de
pequeno porte, com potência nominal de 12kVA. Além do custo do aluguel do
gerador por 2 meses, existem também os custos com o seu transporte, sua
manutenção (abastecimento, filtros e reparos) e seu armazenamento (vigilância),
conforme descritos na tabela 7.6. O consumo de diesel varia de acordo com a carga
instalada e a troca de filtros é feita conforme o número de horas de funcionamento
do grupo gerador. Para este caso, o gerador consome 3 litros por hora e seus filtros
devem ser trocados a cada 200 horas.
Tabela 7.6 – Custos com o Grupo Motor-Gerador
Custos Diário (R$) 2 Meses (R$)
Aluguel 60,00 3.600,00
Transporte (2x) 250,00 500,00
Diesel 128,00 7.680,00
Manutenção 18,00 1.080,00
Vigilância 85,00 5.100,00
TOTAL 17.960,00
Figura 7.59 - Grupo motor gerador
93
7.2 EXTENSÃO DE REDE
Os custos referentes a extensão de rede ficam a cargo da empresa
solicitante. Inicialmente a empresa deve apresentar a planta do loteamento com as
devidas aprovações junto a Prefeitura Municipal de Antonina e Órgãos Ambientais,
juntamente com a via do termo de compromisso devidamente assinada. Para este
caso, os custos são os seguintes:
� topógrafo para fazer a planta de loteamento;
� 1 transformador 13,2 kV/220-127V;
� 8 postes de distribuição;
� 450m cabos 3x04CAA;
� 30m cabo 4x35mm;
� mão de obra.
A empresa solicitou o orçamento a 2 empreiteiras para a realização do
serviço. Estas empresas trabalham em parceria com a COPEL e o custo da
extensão de rede é mostrado na tabela 7.7.
Tabela 7.7 – Orçamento para extensão de rede
Empresa Valor (R$) Prazo (dias)
ENLETEGE 26.950,00 45
NEOTÉCNICA 22.013,00 60
Figura 7.60 – Extensão de rede: acesso Figura 7.61 – Extensão de rede: transformador
94
7.3 RECURSOS ENERGÉTICOS
Os recursos energéticos mais importantes para este estudo, já referidos
anteriormente, são: energia eólica e energia solar. Qualquer região do globo está
exposta a estes recursos, mas devemos verificar se, devidamente estimados, são
técnicamente viáveis.
Os dados sobre estes recursos na região de Antonina foram obtidos através
do CRESESB e do Sistema Meteorológico do Paraná (SIMEPAR). Estes resultados
são indispensáveis para o estudo de implementação do sistema híbrido na Estação
Antonina. Foi definido que seriam analisados os dados relativos aos meses de 2006.
7.3.1 CONDIÇÕES DE VENTO
O conhecimento do comportamento do vento, sua velocidade e sua direção
no local onde se pretende utilizar a energia eólica é muito importante para fazer uma
análise técnica e econômica mais precisa. Estes dados também são importantes
para o correto dimensionamento dos equipamentos.
Os dados disponíveis atualmente podem apresentar valores médios anuais,
sazonais, mensais, médias diárias e mesmo até médias horárias de velocidade do
vento. É muito importante definir o período de observação, uma vez que estes
valores podem variar, de um ano para o outro, tornando-se necessária a análise de
vários anos de medição.
Primeiramente, o SIMEPAR forneceu os dados relativos às velocidades
médias do vento em cada mês de 2006, conforme descrito na tabela 7.8:
Tabela 7.8 – Velocidade média do vento
Mês Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez
Velocidade média
do vento (m/s) 0,5 0,5 0,4 0,4 0,4 0,4 0,5 0,5 0,6 0,4 0,5 0,5
Fonte: SIMEPAR, 2006.
A tabela 7.8 mostra valores de velocidades médias muito baixos, que
inviabilizam o estudo técnico deste recurso energético para o referido caso. A partir
95
destes valores e com a conclusão de que não poderia usar a força dos ventos para
dimensionar o sistema híbrido, procurou-se o responsável pela divulgação destes
dados no SIMEPAR que então, explicou que a velocidade média do vento mensal
em uma determinada região é um valor muito vago, visto que no mesmo dia
podemos ter rajadas de vento com mais de 4m/s durante algumas horas e no
restante do dia sem vento algum, ou seja, a média diária será um valor muito baixo.
Com base nesta explicação, foi requisitado junto a SIMEPAR valores médios
horários de velocidade do vento para fazer um novo estudo da viabilidade técnica.
O SIMEPAR forneceu um relatório de 168 páginas que mostra a velocidade
média horária do vento na região de Antonina. Neste relatório pode-se conhecer a
velocidade média do vento em qualquer hora de qualquer dia do ano de 2006,
conforme a tabela 7.9:
Tabela 7.9 – Velocidade média horária do vento (m/s)
Dia Hora Vel. Média Dia Hora Vel. Média
25/02/2006 00:00 0.3 25/02/2006 12:00 2.5
25/02/2006 01:00 1.5 25/02/2006 13:00 0.6
25/02/2006 02:00 5.1 25/02/2006 14:00 1.3
25/02/2006 03:00 1.8 25/02/2006 15:00 1.8
25/02/2006 04:00 5.6 25/02/2006 16:00 1.7
25/02/2006 05:00 2.5 25/02/2006 17:00 1.2
25/02/2006 06:00 0.8 25/02/2006 18:00 0.0
25/02/2006 07:00 0.0 25/02/2006 19:00 1.1
25/02/2006 08:00 1.3 25/02/2006 20:00 0.8
25/02/2006 09:00 2.1 25/02/2006 21:00 0.5
25/02/2006 10:00 0.6 25/02/2006 22:00 0.9
25/02/2006 11:00 2.1 25/02/2006 23:00 1.1
Fonte: SIMEPAR, 2006.
A tabela 7.9 evidencia que no dia 25/02/2006 a região de Antonina
apresentou ventos com velocidade média acima de 5m/s. Além destas rajadas de
96
vento, pode-se observar também que ocorreram ventos com velocidade média
acima de 2,5m/s que, dependendo do tipo de aerogerador, daria inicio a geração de
energia.
Fazendo um estudo mais completo de todas as velocidades médias horárias
durante todo o ano de 2006 e analisando o período em que ocorreram, chega-se a
conclusão de que os ventos mais fortes ocorrem no período noturno e que, de modo
geral, pode-se dizer que diariamente esta região apresenta velocidade média de
4m/s, considerando uma média de 3h por dia de aproveitamento da velocidade
admitida pelo vento.
7.3.2 INCIDÊNCIA SOLAR
De acordo com o CRESESB, 2006 é possível saber a insolação média em
qualquer ponto do território nacional, basta conhecer as suas coordenadas
geográficas - latitude e longitude. Na visita à Estação Antonina, as coordenadas
geográficas foram retiradas da placa de identificação da torre no local, conforme a
figura 7.62.
Figura 7.62 – Placa de identificação da torre
Latitude: 25° 26’ 12,7”
Longitude: 48° 44’ 14,1”
97
Com base nestas coordenadas, acessa-se o endereço eletrônico
http://www.cresesb.cepel.br/sundatn.htm e através do programa SUNDATA, verifica-
se os valores em Wh/m2.dia da insolação média diária mensal da Estação Antonina,
conforme tabela 7.10:
Tabela 7.10 – Insolação média em Antonina
Mês Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez
Insolação
(Wh/m2.dia) 4410 4810 4470 4120 4230 3630 3990 3870 3570 4290 4570 4570
Mínimo: 3570 Máximo: 4810 Média: 4210 Delta: 1240
Fonte: CRESESB 1, s.d.
A figura 7.63 mostra de uma maneira mais clara, a variação da insolação
média na cidade de Antonina em 2006.
Insolação Média em Antonina
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez
Meses de 2006
Inso
laçã
o [
Wh
/m2.
dia
]
Figura 7.63 – Insolação média em 2006
Fonte: CRESESB 1, s.d.
98
7.4 ANALISE TÉCNICA DO SISTEMA HÍBRIDO
7.4.1 CONSUMO DE ENERGIA DA ESTAÇÃO ANTONINA
Conforme descrito no capítulo 6, página 86, o consumo de uma ERB varia de
acordo com a intensidade de sinal e principalmente com o consumo do ar
condicionado que, por sua vez, varia com a temperatura e o período do dia, ou seja,
quanto mais ligações de celular ocorrerem ao mesmo tempo, maior será o consumo
de energia e quanto mais quente a temperatura maior será o consumo do ar
condicionado.
A fim de obter uma medição mais precisa, foi-se ao local e, com o auxílio de
um alicate amperímetro, realizou-se a medição, verificando-se uma corrente de 8,8A
na fase de alimentação do bastidor de energia, conforme mostrado nas figuras 7.64
e 7.65. Esta medição foi realizada no dia 21 de janeiro às 13h da tarde e a
temperatura local passava dos 32°. Levando em consideração a elevada
temperatura e horário de pico em relação ao número de ligações de celular,
podemos considerar este valor de corrente como sendo próximo do máximo valor.
Na realidade, este valor de corrente varia ao longo do dia e não se pode adotar o
mesmo valor para as 24h do dia. Dependendo da região em que a ERB é instalada e
da especificação do ar condicionado interno do bastidor este valor de corrente no
período noturno pode cair a menos que a metade do valor de corrente no dia. Com
base nesta informação adotaremos um valor de corrente de 4,4A no período
noturno.
Figura 7.64 – Medição da corrente Figura 7.65 – Detalhe do alicate amperímetro
99
Tabela 7.11 – Consumo de energia por dia
Consumo Descrição
Tensão
(Vca)
Corrente
(A)
Potência
(W)
Tempo de
uso (h) Wh Ah
ERB (diurno) 127 8,8 1117,6 12 13.411,2 1.117,6
ERB (noturno) 127 4,4 558,8 12 6.705,6 558,8
Total 20.116,8 1.676,4
De acordo com a tabela 7.11, verifica-se que o consumo médio diário será de:
Consumo médio diário = 20,12kWh
Para o consumo durante um mês temos:
Consumo médio diário x 30 dias = 603,5kWh/mês
Este valor é a energia mínima que o sistema deve fornecer para que possa
atender a Estação Antonina.
7.5 DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA HÍBRIDO
Visando otimizar os recursos naturais oferecidos pela região onde está
situada a ERB de Antonina, surgiu como proposta a união destas duas formas de
energias renováveis: eólica e solar, pretendendo assim, dar maior confiabilidade ao
sistema, pois não haverá dependência somente de um tipo de geração de energia.
O dimensionamento deste sistema consiste em calcular o número de placas
solares e aerogeradores necessários para a alimentação da carga especificada. O
objetivo é obter um balanceamento entre a máxima confiabilidade através de
especificações técnicas atuais no mercado interno e o menor custo.
Ainda, neste sistema devemos ter a confiabilidade de outros equipamentos,
que interligados fazem com que a qualidade e eficiência alcancem o resultado
esperado.
100
7.5.1 AEROGERADOR
Para especificação de aerogeradores torna-se importante o conhecimento de
modelos existentes no mercado atual, conforme descrito na tabela 7.12:
Tabela 7.12 – Características de aerogeradores de pequeno porte
Fabricante/
Distribuidor Modelo Vel. min. do
vento (m/s) Potência (W)/ vel.
nominal do vento (m/s) Diâmetro N° de pás
BWC XL 1kW 2,5 1000 (12) 2,5 3
ENERSUD GERAR 246 2,2 1000 (12) 2,46 3
ENERSUD NOTUS 138 2 350 (12) 1,38 3
Eletrovento Turbo 500 3 500 (12,5) 1,9 3
Dados retirados da Internet na página de cada fabricante/fornecedor
Através da equação 11, podemos calcular a potência do vento que deverá ser
transformada em energia elétrica, através do aerogerador:
2
3ρ.A.V
.pCVP = (11)
sendo:
Pv = potência (W);
ρ = massa específica do ar (kg/m 3 );
A = área varrida pelo rotor eólico (m2);
V = velocidade do vento (m/s);
Cp = coeficiente de potência (rendimento do aerogerador).
O modelo de aerogerador escolhido para o sistema híbrido é o modelo
GERAR246 (ENERSUD, 2004), mostrado na figura 7.66, por apresentar uma
elevada potência nominal para uma baixa velocidade inicial de geração, conforme
descrito na tabela 7.13. Além disso, a escolha por um modelo nacional nos ajuda a
obter informações mais detalhadas sobre características técnicas e custo para,
posteriormente, fazer uma análise econômica.
101
Tabela 7.13 – Aerogerador ENERSUD GERAR246
Diâmetro da hélice 2,46 m
Potência a 12 m/s 1000 W
Rpm a 12 m/s 630 rpm
Número de pás 3
Velocidade de partida 2,2 m/s
Torque de partida 0,3 Nm
Proteção contra altas velocidades Active Stall (Controle de Passo)
Sistema magnético neodímio (imã permanente)
Sistema elétrico trifásico
Tensão de saída 12/24/48 volts
Peso total (alternador+hélice+cab. Rot.) 32 kg
Material Anti Corrosão Alumínio / Inox / Mat. Galvanizado
Fonte: ENERSUD, 2005.
Figura 7.66 – Aerogerador GERAR246
Fonte: ENERSUD, 2005.
As figuras 7.67 e 7.68 mostram as curvas de potência e de geração de
energia do aerogerador GERAR246 em função da velocidade do vento.
102
Figura 7.67 – Curva de potência
Fonte: ENERSUD, 2005.
Figura 7.68 – Curva de capacidade de geração
Fonte: ENERSUD, 2005.
A potência e a energia fornecida por este aerogerador pode ser obtida através
das curvas do fabricante, mas a fim de obter dados mais precisos de acordo com as
características da região em estudo, pode-se realizar todo o dimensionamento, a
partir das características técnicas do equipamento, conforme mostrado a seguir.
A partir do diâmetro da turbina do GERAR246 que é de 2,46m, pode-se
calcular, através da equação 12, a área varrida pelas pás (A).
22
2 75,42
46,2.. mrA =
== ππ (12)
103
Conforme descrito no item 3.6 na página 55, o coeficiente de potência Cp é
adimensional, e depende do regime de ventos e do tipo de aerogerador. Este valor
nos indica a eficiência de conversão da turbina eólica, ou seja, a real potência que
pode ser extraída de um regime de ventos. Para este modelo de turbina eólica, o
coeficiente de potência é:
32,0=PC
A massa especifica do ar na região é de:
3/ 225,1 mkg=ρ
Com base destes valores, pode-se definir a potência deste aerogerador em
função da velocidade média do vento no local, definido como 4 m/s:
smkgPV /. 58,592
475,4225,132,0 3
=×××
= (13)
Sabe-se que: 1 kg.m/s=9,81W
Então:
WPV 58581,958,59 ≅×=
Para concluir o cálculo da energia fornecida pela turbina eólica, foi
considerado uma média de 3h/dia de aproveitamento da velocidade admitida pelo
vento.
mensalkWhEnergia
diasdia
hkWPEnergia V
/ 6,52
)(30)(3)(
=
××= (14)
Se, para este caso em estudo utilizasse somente aerogeradores, seria
necessário instalar 12 aerogeradores deste modelo para suprir o consumo de
104
603,5 kWh/mensal. Este resultado, um pouco elevado, deve-se ao fato da região
apresentar velocidades médias de vento muito baixas.
7.5.2 PAINEL FOTOVOLTAICO
Da mesma maneira como foi realizado o dimensionamento do aerogerador
primeiramente, devemos conhecer os painéis fotovoltaicos existentes no mercado,
conforme tabela 7.14:
Tabela 7.14 – Características de painéis fotovoltaicos
Fabricante/
Distribuidor Modelo
Potência máxima
(Wp)
Corrente em Potência
máxima (A) Dimensões (mm) Peso
(kg)
REDIMAX SM-100 100 5,9 1320 x 660 x 56 11,5
BP SOLAR SX 120U 120 3,56 1456 x 731 x 26,9 12,8
ISOFOTON I-100 80 5,74 652 x 52 x 8 8
SHELL SOLAR SP 75 75 4,4 1200 x 527 x 56 7,6
HELIODINÂMICA HM 70D12 70 4,38 1242 x 487 x 45 8,6
KYOCERA KC 130TM 130 7,39 1425 x 652 x 58 11,9
Dados retirados da internet na página de cada fabricante/fornecedor
De acordo com a tabela 7.10 que mostra a insolação média na região de
Antonina, percebe-se que no período de inverno, a incidência solar reduz-se
consideravelmente, fazendo com que a quantidade de Ah/dia calculada diminua.
Esta capacidade média de geração está diretamente relacionada a insolação média
(Wh/m2.dia) do período em estudo. Para calcular a quantidade de horas média de
cada mês, conhecida como “Horas de Sol Pleno”, foi considerada uma insolação
média de 1000 W/m2 (KYOCERA, s.d.).
MédiaSolarRadiação
MédiaInsolaçãoasQuant. Hor
= (15)
105
O painel fotovoltaico escolhido para este sistema híbrido é o modelo
KC 130TM, mostrado na figura 7.69, lançamento do fabricante KYOCERA por
apresentar a maior potência dentre os modelos vendidos no mercado nacional,
fazendo com que diminua o número total de painéis para este dimensionamento. A
especificação técnica do KC 130TM é descrita na tabela 7.15 e suas curvas
características são mostradas na figura 7.70.
Tabela 7.15 – Especificações Elétricas: módulo fotovoltaico KC 130TM
Máxima potência 130 W
Voltagem de máx. potência 17,6 V
Corrente de máx. potência 7,39 A
Voltagem de circuito aberto 21,9 V
Corrente de curto-circuito 8,02 A
Dimensões 1425 x 652 x 52
Peso 11,9 kg
Fonte: KYOCERA, s.d.
Figura 7.69 – Módulo Fotovoltaico KC 130TM
Fonte: KYOCERA, s.d.
106
Figura 7.70 – Características de voltagem e corrente em relação a temperatura e insolação
Fonte: KYOCERA, s.d.
De acordo com a especificação técnica deste painel fotovoltaico, verificamos
que a corrente em máxima potência (130W), não deve ser superior a 7,39A.
Conhecendo-se a quantidade de horas que poderá ser absorvida a energia
solar e a corrente de cada placa fotovoltaica, pode-se calcular o consumo médio
diário em ampères (Ah/dia):
Exemplo: mês de janeiro
solarpor placa AhAhConsumo
CorrenteMáximaMédiaSolarRadiação
MédiaInsolaçãoConsumo
59,32)(39,7)(1000
4410
=×=
×=
Para a especificação dos painéis fotovoltaicos, deve-se conhecer o consumo
em ampères (Ah), calculado pela equação 16:
AhVcc
CmCa 4,1676
12
8,20116=== (16)
107
onde:
Ca = consumo médio diário em ampères (Ah)
Cm = consumo médio diário (kWh)
Vcc = tensão de geração de energia dos painéis fotovoltaicos (12V)
Assim, o consumo médio diário do sistema é de 1,676kAh.
Considerando este consumo médio diário, pode-se calcular a quantidade de
placas que seriam necessárias, para instalar um sistema 100% solar. O
dimensionamento dos painéis fotovoltaicos referentes a cada mês é descrito na
tabela 7.16:
Tabela 7.16 – Quantidade de placas fotovoltaicas
Módulo fotovoltaico KC 130TM
Mês Insolação
(Wh/m2.dia) Quantidade
de horas Ah/dia
calculada Total de painéis
Jan 4410 4,41 32,59 52
Fev 4810 4,81 35,55 47
Mar 4470 4,47 33,03 51
Abr 4120 4,12 30,45 55
Mai 4230 4,23 31,26 54
Jun 3630 3,63 26,83 63
Jul 3990 3,99 29,49 57
Ago 3870 3,87 28,60 59
Set 3570 3,57 26,38 64
Out 4290 4,29 31,70 53
Nov 4570 4,57 33,77 50
Dez 4570 4,57 33,77 50
Fonte: CRESESB 1, s.d.
A idéia do sistema híbrido visa otimizar os recursos naturais oferecidos pela
região. Se a ERB de Antonina for atendida somente pelo sistema eólico, deveriam
ser instalados 12 aerogeradores conforme especificado na tabela 7.13. E, caso este
108
sistema fosse alimentado apenas por energia solar, verificou-se que seria
necessário a instalação de 64 painéis na pior condição (mês de setembro).
A escolha da quantidade necessária de cada equipamento a ser utilizada para
melhor dimensionar este sistema híbrido necessitaria um estudo muito mais rigoroso
sobre os recursos energéticos da região, bem como o consumo da ERB.
Como a energia solar na região é mais abundante do que a energia eólica,
define-se uma quantidade mínima de aerogeradores e o restante da demanda será
suprida por painéis fotovoltaicos.
Utilizando 4 aerogeradores, temos:
l kWh/mensa,l kWh/mensa, 42106524 =×
Esta energia fornecida pelos aerogeradores representa 35% da energia
necessária para alimentar a ERB de Antonina. Como o consumo total da ERB é de
603,5kWh/mensal e os aerogeradores irão fornecer uma energia de 210,4
kWh/mensal, ainda nos resta 393,1kWh/mensal que serão fornecidos pelos painéis
fotovoltaicos:
kWh/dial kWh/mensa 1,1330
1,3931,393 ==
A quantidade de painéis fotovoltaicos deve ser recalculada para este novo
consumo e assim recalcular a quantidade de Ah/dia:
AhVcc
CmCa 1092
12
13103=== (17)
Para calcular o número de painéis fotovoltaicos, basta dividir o consumo
médio diário em Ah pelo consumo de cada placa solar, considerando o pior mês
(KYOCERA, s.d.):
de PlacasQuantidade 4238,26
1092== (18)
109
A partir do número total de painéis fotovoltaicos, pode-se definir diversos
arranjos, a fim de obter diversas possibilidades de tensão de saída e valores de
corrente. Para este estudo dividiu-se a quantidade total de painéis em 4 arranjos
fotovoltaicos. Dois arranjos com 11 painéis ligados em paralelo e os outros dois
arranjos com 10 painéis também ligados em paralelo. Com esta disposição dos
painéis fotovoltaicos, tem-se uma tensão de 12V na saída e a corrente total de cada
arranjo será o somatório das correntes de cada painel que compõem o arranjo.
7.5.3 CONTROLADORES DE CARGA
O papel do controlador de carga da instalação é o de proteger o banco de
baterias contra cargas e descargas excessivas diminuindo sua vida útil.
Para a proteção do banco de baterias contra sobrecargas, o aerogerador
possui um controlador de carga interno, que vem junto com o produto. Este
controlador interrompe o fornecimento de energia quando a tensão alcançar um
valor previamente determinado.
O controlador de carga dos painéis fotovoltaicos é definido pela tensão de
trabalho dos módulos e pela máxima corrente do arranjo. A sua capacidade deve
superar a corrente total dos painéis a serem conectados. A divisão dos painéis
fotovoltaicos em 4 arranjos foi feita para diminuir a corrente total do conjunto, pois no
mercado interno encontra-se controladores de carga com capacidade máxima de
60A. O objetivo é instalar um controlador de carga para cada arranjo de painéis
fotovoltaicos. Para isso, devemos somar a corrente dos painéis fotovoltaicos.
Aláxima totaCorrente m
A,láxima totaCorrente m
3,81
39711
=
×=
Para a implementação deste sistema híbrido será necessário instalar 4
controladores de carga, um para cada arranjo. Foi escolhido o modelo XANTREX
Série C60, mostrado na figura 7.71, com capacidade para 60A e corrente de crista
máxima de 85A, conforme descrito na tabela 7.17.
110
Figura 7.71 – Controlador de carga XANTREX C60
Fonte: XANTREX, 2000
Tabela 7.17 – Especificação elétrica do
controlador de carga
XANTREX Série C60
Voltagem 12 a 24V
Corrente de carregamento/carga
60A
Corrente de crista máxima 85A
Peso 1,4 kg
Dimensões 254 x 127 x 63mm
Fonte: XANTREX, 2000
7.5.4 BANCO DE BATERIAS
Para o dimensionamento do banco de baterias precisa-se definir a autonomia
necessária deste sistema e sua capacidade total de carga em Ah.
Aha de cCapacidade 1676arg =
Um banco de baterias consiste de várias baterias conectadas em série e/ou
paralelo para alcançar a tensão e a capacidade de acumulação necessária para a
adequada operação do sistema.
Para este caso em estudo, temos uma tensão nominal de 12V e capacidade
de fornecimento de energia de 1676 Ah.
Foi escolhida uma bateria selada de 150Ah, do fabricante MOURA, série
Clean, conforme mostra a figura 7.72, que é uma bateria utilizada para
telecomunicações, no-breaks e reservas de energias alternativas. Esta bateria
fornece uma capacidade de carga de 150Ah com uma autonomia de 20h.
111
Figura 7.72 – Bateria MOURA CLEAN
Fonte: MOURA, 2007
Modelo: 12MC150
Tensão Nominal: 12V
Capacidade (20h): 150Ah
Peso: 43,8kg
Dimensões: 512 x 211 x 233mm
Para este estudo serão necessárias 12 baterias ligadas em paralelo:
Quantidade de baterias = 1676 / 150 = 11,17 (19)
12 baterias = 1800Ah
A capacidade total do banco é de 1800Ah, o qual minimiza a quantidade de
energia não aproveitada devido ao funcionamento do controlador de carga.
7.5.5 INVERSOR
O inversor converte energia elétrica DC em energia AC. No estudo em
questão, o inversor deverá converter 12Vcc em 127Vca para alimentar a ERB.
O inversor é dimensionado pela sua tensão de entrada, tensão de saída e
potência total AC. No caso a maior potência será definida pela máxima corrente no
período diurno.
Potência do sistema = 1117,6W
Para o sistema híbrido foi escolhido o inversor PROWATT, modelo
PW 1500-12 fabricado pela XANTREX, mostrado na figura 7.73, cuja especificação
técnica é mostrada na tabela 7.18.
112
Figura 7.73 – Linha PROWATT de inversores
Fonte: XANTREX, 2000
Tabela 7.18 – Especificação elétrica do inversor
PROWATT – PW 1500-12
Potência contínua 1500W
Potência de pico 3000W
Tensão de entrada 10 - 15 Vcc
Tensão de saída 115 Vrms (± 5%)
Freqüência de saída 60Hz ± 0,05Hz
Rendimento máximo 90%
Consumo próprio < 0,4A
Peso 3,800kg
Dimensões 240 x 410 x 80mm
Fonte: XANTREX, 2000
7.6 ESPECIFICAÇÃO E CUSTO DO SISTEMA HÍBRIDO
Após o dimensionamento dos equipamentos do sistema híbrido, foi realizado
um levantamento de todos os custos e acessórios necessários para a realização
deste projeto, conforme descrito na tabela 7.19.
Tabela 7.19 – Quantidade e custo dos equipamentos do sistema híbrido
Item Descrição Quant. Preço Unitário
(R$) Preço total
(R$)
1 Aerogerador GERAR 246, fabricante ENERSUD 4 5.900,00 23.600,00
2 Kit torre + cabos + acessórios para aerogerador 4 950,00 3.800,00
3 Placa solar KC 130TM, fabricante KYOCERA 42 1.800,00 75.600,00
4 Suporte de alumínio para módulos solares 4 250,00 1.000,00
5 Baterias 150 Ah, fabricante MOURA 12 650,00 7.800,00
6 Controlador de carga C60, fabricante XANTREX 4 900,00 3.600,00
7 Inversor PW 1500-12, fabricante XANTREX 1 1.300,00 1.300,00
8 Mão-de-obra 1 4.000,00 4.000,00
TOTAL 120.700,00 R$
Valores fornecidos pelos fabricantes/distribuidores
113
7.7 DIAGRAMA DE BLOCOS DO SISTEMA
Figura 7.74 – Diagrama de blocos do Sistema Híbrido
114
7.8 LAY-OUT DO SISTEMA HÍBRIDO
Figura 7.75 – Lay-out do sistema híbrido
115
8 COMPARATIVO ENTRE DIFERENTES SISTEMAS
Após um estudo sobre a implantação do sistema híbrido na ERB de Antonina,
será estudado a sua aplicação em diferentes situações.
No capítulo 7 foi analisado o custo de uma extensão de rede nesta região e
os gastos relativos ao uso de um grupo motor-gerador, bem como o custo total para
a implantação deste sistema híbrido. Agora faremos o comparativo desta nova
tecnologia com os sistemas convencionais.
8.1 SISTEMA HÍBRIDO X SISTEMA CONVENCIONAL
Fazendo um comparativo do custo do sistema híbrido e o valor da extensão
de rede somado aos gastos com energia elétrica ao longo dos anos, pode-se definir
o tempo que seria necessário para repor o investimento da implantação do sistema
híbrido.
/mês,R$ energiaFatura de
Tarifa h/mês] Consumo[kWenergiaFatura de
0025038711,05,603 ≅×=
×= (20)
Tabela 8.20 – Investimento inicial
Investimento Inicial (R$)
Sistema híbrido 120.700,00
Extensão de rede 22.013,00
TOTAL 98.687,00
Esta diferença entre os investimentos iniciais da implantação do sistema
híbrido e execução da extensão de rede será divido pela fatura mensal desta ERB a
fim de obter o número de meses que seriam necessários para cobrir o valor do
investimento do sistema híbrido.
116
anos meses
mesesR
R
energiaFatura de
imentosdos investDiferença ssáriosMeses nece
33395
395250 $
687.98 $
≅
===
Verifica-se que em lugares onde é possível a alimentação do sistema através
da rede de distribuição convencional, mesmo sujeito a extensão de rede, a
implantação deste sistema híbrido não seria viável, pois necessitaria um período
muito longo para retorno do investimento. Observa-se que, neste cálculo simples,
não são levados em consideração o tempo de depreciação natural dos
equipamentos e os juros e correções monetárias ao longo dos anos.
8.2 SISTEMA HÍBRIDO X GRUPO MOTOR-GERADOR
O uso do gerador, além de causar sérios danos ao meio ambiente, gera um
custo elevado/mês, conforme descrito no item 7.1 da página 91.
Fazendo um comparativo do custo do sistema híbrido e a utilização do grupo
gerador nos 2 meses de espera para a execução da extensão de rede, verifica-se
que a diferença entre estes dois investimentos seria muito grande. O custo do
gerador para este período representa apenas 15% do investimento do sistema
híbrido.
Caso não fosse possível realizar a extensão de rede, como acontece em
muitos lugares do Brasil, pode-se fazer uma comparação de quanto tempo seria
necessário para retorno do investimento da instalação do sistema híbrido.
O uso do grupo motor-gerador gera um custo de R$ 290,00 por dia, ou seja, o
custo do sistema híbrido seria pago em 416 dias.
diasR
RadorUso do Ger 416
290 $
700.120 $≅=
(21)
Este tempo, pouco mais que um ano, é bastante pequeno e deverá ser levado
em consideração sempre que for necessário a instalação de geradores diesel em
lugares isolados.
117
9 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Este trabalho apresentou um estudo sobre a implantação de um sistema
híbrido eólico-solar para alimentar Estações Rádio Base em lugares isolados,
aplicado a Estação Antonina no Paraná. Este estudo foi realizado a partir de dados
coletados no local e levantamento dos recursos energéticos da região.
O potencial eólico foi fornecido pelo SIMEPAR através das médias de
velocidade do vento no ano de 2006 e o índice de incidência solar foi fornecido pelo
CRESESB, através do programa SUNDATA. Os dados a respeito destes recursos
energéticos não foram muito satisfatórios, pois o Estado do Paraná apresenta uma
das velocidades médias de vento mais baixas do país e o litoral paranaense
apresenta um nível de incidência solar abaixo da média nacional. Estes dados é que
determinam o dimensionamento do sistema híbrido. Quanto menor o potencial
energético da região, maior o custo de implantação deste sistema, podendo até
inviabilizar o projeto.
Além do estudo e dimensionamento de um sistema híbrido, este trabalho
realizou um levantamento dos custos relativos ao uso de grupo motor-gerador para
alimentar uma ERB e material e mão-de-obra para executar uma extensão de rede
de distribuição.
Foi realizado um estudo referente a teoria e tecnologia de aproveitamento da
energia solar e eólica. A análise destas duas fontes de energias renováveis é
fundamental para o correto dimensionamento do sistema híbrido. Este sistema
híbrido foi dimensionado a partir do consumo da ERB de Antonina e com base nos
dados dos recursos energéticos da região.
Após o dimensionamento de todo o sistema híbrido, fez-se uma comparação
com o uso do grupo motor-gerador e a rede de distribuição convencional, e chegou-
se às seguintes considerações:
� em lugares onde é possível chegar com a rede de distribuição elétrica,
mesmo que leve algum tempo, o investimento inicial para implantação
do sistema híbrido dimensionado levaria muitos anos para ser reposto;
118
� em lugares onde é necessário o uso de grupo motor-gerador, seja
provisório ou permanente, o sistema híbrido é viável economicamente,
pois em pouco tempo seria pago o investimento inicial;
Nestes considerações não foi levado em conta os custos com impacto
ambiental que uma extensão de rede e uso de grupo motor-gerador podem causar.
Este custo ambiental diminuiria o tempo de retorno de investimento do sistema
híbrido. Além deste custo ambiental, o uso do grupo motor-gerador mostra que, além
da degradação do meio ambiente, tem-se um custo mensal elevado devido a sua
manutenção. Isto deve ser levado em consideração sempre que existirem estudos
comparativos entre o uso do gerador e o uso de um sistema que utiliza fontes
renováveis de energia. Se a região em estudo apresentasse um potencial energético
mais favorável o custo do sistema híbrido reduziria bastante, aumentando assim,
sua viabilidade econômica.
Cabe ressaltar, que para otimizar o desempenho do sistema e torná-lo mais
confiável, seria necessário obter melhores informações sobre o consumo de uma
ERB e conseguir um histórico maior sobre os recursos naturais da região de no
mínimo 3 anos. Este trabalho, além do caso em estudo proposto, procura apresentar
de forma clara e sucinta a metodologia para desenvolvimento de outros projetos
similares, tais como:
� desenvolver um sistema híbrido para comunidades isoladas;
� projetar um controlador de carga para sistemas híbridos;
A realização deste trabalho foi muito importante para conhecer um pouco
mais sobre estas novas fontes de energia alternativas que vêm sendo usadas cada
vez mais nos dias atuais. Isso se deve ao fato do custo atual dos equipamentos ter
sofrido uma grande redução desde que foram desenvolvidos e principalmente, o
incentivo e imposições governamentais e sociais para o uso de fontes renováveis de
energia contribuindo para o desenvolvimento sustentável e redução do aquecimento
global.
119
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ANEXOS
