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ANÁLISE DA UTILIZAÇÃO DA GERAÇÃO FOTOVOLTAICA EM UMA
EMBARCAÇÃO DAY CHARTER
Rebeca Mendes Carrijo
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de
Engenharia Naval e Oceânica da Escola
Politécnica, Universidade Federal do Rio de
Janeiro, como parte dos requisitos necessários
à obtenção do título de Engenheira.
Orientador: Alexandre Teixeira de Pinho Alho.
RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL
AGOSTO DE 2018
ii
ANÁLISE DA UTILIZAÇÃO DA GERAÇÃO FOTOVOLTAICA EM UMA
EMBARCAÇÃO DAY CHARTER
Rebeca Mendes Carrijo
PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE ENGENHARIA NAVAL E OCEÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRA NAVAL E OCEÂNICA.
Examinada por:
________________________________________
Prof. Alexandre Teixeira de Pinho Alho, D.Sc.
________________________________________
Prof. José Henrique ErthalSanglard, D.Sc.
________________________________________
Prof. Luiz Felipe Assis, D.Sc.
RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL
AGOSTO de 2018
iii
Carrijo, Rebeca Mendes
Análise da Utilização da Geração Fotovoltaica em uma
Embarcação Day Charter/Rebeca Mendes Carrijo – Rio de
Janeiro: UFRJ/Escola Politécnica/2018.
VIII, 45 p.: il.; 29,7 cm.
Orientador: Alexandre Teixeira de Pinho Alho.
Projeto de Graduação - UFRJ/Escola Politécnica/Curso
de Engenharia Naval e Oceânica, 2018.
Referências Bibliográficas: p. 36 - 37
1. Geração de Eletricidade
I. Teixeira de Pinho Alho, Alexandre. II. Universidade
Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de
Engenharia Naval e Oceânica. III. Desenvolvimento de
Protótipo de uma Embarcação com Geração Solar de
Energia.
iv
“Porque mais preciosa é a sabedoria do que joias; e de tudo que se deseja nada se
pode comparar a ela.”
Provérbios 8:11.
v
AGRADECIMENTOS
À minha mãe, por tudo.
Ao professor Alexandre Alho, pelas orientações acadêmicas e de vida.
Aos colegas cujo trabalho duro e boa vontade trouxeram motivação ao longo da
graduação. Em ordem cronológica: Leonardo Martins Silva (Arquitetura Naval I), Pedro
Henrique Caldas Jorge (Introdução á Teoria de Projeto), Rogério Hennemann Junior
(Resistência Estrutural I) e Felipe Campos Castro (Projeto de Sistemas Oceânicos II). A
cooperação é fundamental em qualquer atividade acadêmica. Sozinhos, avançamos
rápido, juntos, chegamos mais longe.
Ao professor Heudson Tosta Mirandola, cuja didática impecável tem ajudado a
definir qual o melhor caminho a seguir.
À Simone Morandini, Andrea Xavier e Eloisa Moreira, que se esforçam para
tornar a vida dos graduandos em Engenharia Naval um pouco mais fácil.
vi
Resumo do projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como
partedos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheira Naval e
Oceânica.
Análise da Utilização da Geração Fotovoltaica em uma Embarcação Day Charter
Rebeca Mendes Carrijo
Agosto/2018
Orientador: Alexandre Teixeira de Pinho Alho
Curso: Engenharia Naval e Oceânica
Este Projeto de Graduação tem como objetivo aanálise do sistema de geração de
eletricidade de uma embarcação day charter, dedicada a atividades de turismo náutico
em regiões costeiras. Será estudada a viabilidade de se utilizar como fonte primária de
energia elétrica a energia gerada por painéis fotovoltaicos instalados na embarcação. As
regiões costeiras nas quais a embarcação será operada são praias turísticas, de modo que
o uso de energia limpa como a energia solar é ainda mais coerente que em centros
urbanos. Seu uso diminuirá a emissão de gases poluentes para a atmosfera, tornando a
operação da embarcação menos agressiva ao meio ambiente e, além disso, se
constituindo em uma boa estratégia de marketing para o público que procura este tipo de
embarcação.
vii
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment ofthe
requirements for the degree of Engineer.
Analysis of the Use of Photovoltaic Generation for a Day Charter Yacht
Rebeca Mendes Carrijo
August/2018
Advisor: Alexandre Teixeira de Pinho Alho
Course: Naval e Oceanic Engineering
This undergraduate project has the objective of analyzing the electricity
generation system of a day charter vessel, dedicated to nautical tourism activities in
coastal regions. The feasibility of using the energy generated by photovoltaic panels
installed on the vessel as the primary source of electric energy will be studied. The
coastal regions in which the vessel will be operated are tourist beaches, so that the use
of clean energy like solar energy is even more coherent than in urban centers. Its usewill
reduce the emission of polluting gases into the atmosphere, making the operation of the
vessel less aggressive to the environment and, in addition, constituting a good
marketing strategy for the public looking for this type of vessel.
viii
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ........................................................................................................ 1
2 GERAÇÃO FOTOVOLTAICA DE ENERGIA ELÉTRICA .................................. 4
2.1 CÉLULAS FOTOVOLTAICAS ....................................................................... 5
2.2 PAINÉIS OU MÓDULOS FOTOVOLTAICOS .............................................. 5
2.3 ACUMULADORES (BATERIAS) ................................................................... 7
2.4 CONTROLADORES MPPT ........................................................................... 10
2.5 GERAÇÃO FOTOVOLTAICA EM EMBARCAÇÕES ................................ 10
3 CASO DE ESTUDO ............................................................................................... 11
3.1 MODALIDADES DAS OPERAÇÕES TIME CHARTER ............................ 11
3.2 DEMANDA DE ENERGIA ELÉTRICA EM EMBARCAÇÕES TIME
CHARTER .................................................................................................................. 13
3.3 EMBARCAÇÃO DE REFERÊNCIA ............................................................. 14
4 PROJETO DO SISTEMA DE GERAÇÃO FOTOVOLTAICA ............................ 17
4.1 INCIDÊNCIA SOLAR EM ANGRA DOS REIS ........................................... 17
4.2 BALANÇO ELÉTRICO .................................................................................. 17
4.3 CÁLCULO DO CONSUMO DIÁRIO DE ENERGIA ELÉTRICA ............... 20
4.4 DIMENSIONAMENTO E SELEÇÃO DOS PAINÉIS FOTOVOLTAICOS 21
4.5 DIMENSIONAMENTO E SELEÇÃO DAS BATERIAS .............................. 26
5 ENERGIA SOLAR EM MANOBRAS .................................................................. 28
5.1 ESTIMATIVA DA POTÊNCIA PROPULSIVA EM MANOBRAS ............. 30
5.2 ESTIMATIVA DA ENERGIA GASTA EM MANOBRAS ........................... 31
5.3 QUANTIDADE DE PAINÉIS E BATERIAS ................................................ 31
6 ESTIMATIVA DA ECONOMIA DE COMBUSTÍVEL ....................................... 32
7 CONSIDERAÇÕES FINAIS .................................................................................. 33
8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................... 35
ix
1
1 INTRODUÇÃO
O turismo náutico se distingue de forma única dentre asmodalidades de
turismo.Seu principal elemento caracterizador é a embarcação, que representa seu
principal atrativo, ao mesmo tempo em que consiste no meio de transporte turístico.
Dessa forma, no turismo náutico, a embarcação não se configura apenas como simples
meio de transporte, mas sim, como principal motivador da prática turística. O Brasil é
um dos destinos com maior vocação para o turismo náutico no mundo, por possuir um
litoral de mais de 7.000 quilômetros de extensão e quase 9.500 quilômetros de margens
de reservatórios de água doce. Dentre os locais na costa brasileira, o litoral do Estado do
Rio de Janeiro (RJ) destaca-se como um dos mais importantes nesse segmento de
turismo.
É possível observar uma distinção entre os segmentos de mercado relacionados ao
turismo náutico. Assim, podem-se considerar dois tipos principais: o turismo náutico de
cruzeiro e o de recreio e esporte. O segmento de turismo náutico de cruzeiro consiste na
prestação de serviços conjugados de transporte, hospedagem, alimentação,
entretenimento, visitação de locais turísticos e atividades afins, quando realizados por
embarcações de turismo. Já o turismo náutico de recreio e esporte é realizado em barcos
de pequeno e médio porte, os quais podem ser de propriedade do turista ou alugados, A
modalidade realizada em embarcações alugadas é usualmente denominada decharter.
A modalidade charter de turismo náutico normalmente é oferecida para grupos
fechados ou famílias, com o período dos passeios variando, normalmente, entre um e
quinze dias. Embora o Brasil seja apontado mundialmente como um dos países com
maior vocação para este tipo de atividade, a inexistência de uma legislação específica e
a forte incidência das taxas dificulta o avanço do segmento. Porém, o mercado aponta
para um avanço seguro do mercado de turismo náutico.
Pesquisas globais conduzidas pelo "Future Market Insights" (1)prevêem um
crescimento para o mercado de embarcações charterpara o período de 2014 a 2020. Isso
se deve, em grande parte, à crescente demanda por afretamento de iates e ao aumento da
renda disponível dos consumidores, apoiada pelo crescente número de destinos fretados,
os quais alimentam o crescimento do mercado global de iates. Analisando o movimento
do mercado de iates de pequeno a grande porte, estima-se que o valor atual de US$35
bilhões da indústria de iates decharter deverá crescer para US$51 bilhões até 2020 (2).
2
Figura 1–Destino típico de um serviço day charter no Caribe.
O turismo náutico de um dia, ou day charter, é muito popular na Europa e no
Caribe (Figura 1). O mercado brasileiro de operações de daycharter com embarcações,
apesar de ainda tímido em comparação com os mercados europeu e caribenho, já mostra
sinais de crescente demanda.Há uma tendência dos consumidores preferirem barcos de
grande porte, devido à crescente preferência em visitar destinos em grandes grupos. Os
consumidores corporativos preferem barcos para atividades de lançamentos de produtos
e reuniões de negócios. Os consumidores pessoa física preferem barcos para atividades
de lazer e festas sociais. Barcos de grande porte são geralmente preferidos por grupos de
pessoas, enquanto os pequenos são geralmente preferidos pelos casais.
Os catamarãs são as embarcações mais utilizadas mundialmente em operações de
daycharter. Isso acontece porque oferecem mais espaço de convés, maior estabilidade,
conforto em navegação e possibilidade de acessar lugares de menor profundidade,
devido ao pequeno calado. Em lugares onde o turismo náutico já é um mercado bem
estabelecido, os catamarãs para day charter são muito populares.
A inovação também representa um fator de impulso para o mercado de
embarcações charter. Atualmente, o apelo ecológico é, sem dúvida, um grande
instrumento de marketing, principalmente em atividades diretamente relacionadas ao
meio ambiente, tal como o turismo náutico.Tendo isso em mente, os fabricantes de iates
charter vêmmodernizando seus projetos, de modo a torná-los eco-friendly.Em
particular, têm sido adotadas soluções visando à redução das emissões de CO2.Sob essa
perspectiva, a geração fotovoltaica mostra-se como uma alternativa atraente.
3
O uso de sistemas de energia solar é crescente na indústria náutica. Atualmente, o
conceito de utilização da geração fotovoltaicaem embarcações de pequeno porte está
completamente estabelecido e há um grande número de fornecedores no mercado (3).
Entre as diversas vantagens, está o fato de se reduzir as emissões de carbono, os custos
com combustível e os níveis de ruídoa bordo. A geração fotovoltaica proporciona a
redução dos custos de manutenção e operação de um barco com baixa demanda de
energia elétrica, podendo torná-lo, inclusive, completamente autossuficiente,
eliminando assim a necessidade de instação de geradores a bordo.
Em veleiros de pequeno e médio portes, os sistemas solaressão frequentemente
dimensionados para suprir 100% do consumo de energia elétrica, incluindo, pequenos
consumidores, tais como lâmpadas, eletrodomésticos (microondas, televisões, etc.),
rádios, equipamentos de navegação e pequenas bombas, dentre os vários equipamentos
elétros encontrados a bordo. Entretanto, devido a limitações de espaço, há situações em
que a geração fotovoltaica não é capaz de suprir integralmente a demanda de energia
elétrica de bordo. O caso típico são as embarcações equipadas com sistemas de ar-
condicionado, cujo consumo de energia é elevado até mesmo para um sistema de
geração fotovoltaica de tamanho moderado.
O desafio para o uso da energia solar em embarcações de maior porte está
relacionado à maior demanda de carga elétrica. Maiores níveis de consumo elétrico
exigem a instalação de um número maior de placas solares, bem como de bancos de
baterias de maior capacidade, requisitos estes muitas vezes incompatíveis com o espaço
disponível e/ou o limite de deslocamento da embarcação. No entanto, a utilização da
geração fotovoltaica como sistema auxiliar de geração de energia elétrica pode
contribuir para a redução dos custos de operação e manutençãoao absorver para uma
parcela da carga elétrica demandada pela embarcação. Os custos com combustível
representam, normalmente, a principal parcela dos custos de operação de embarcações
charter, superando, normalmente, os custos com tripulação e hospitality.
O objetivo deste projeto é estudar a viabilidade da adoção da energia solar como
uma fonteauxiliar de energia elétrica deuma embarcação de serviço, do tipo catamarã,
empregada em operações de turismo náuticoday charter (4).O estudo compreendeu o
dimensionamento de um sistema fotovoltaico dedicado ao suprimento da demanda de
consumo doméstico de energia elétrica da embarcação. Uma segunda consideração
analisada envolveu a viabilidade de se utilizar a energia solar em pequenas manobras
em ancoradouros e praias.
4
2 GERAÇÃO FOTOVOLTAICA DE ENERGIA ELÉTRICA
O efeito fotovoltaico consiste na conversão de energia solar em energia elétrica
através de materiais semicondutores. Sua primeira observação aconteceu em 1839,
quando o físico Edmund Becquerel percebeu o surgimento de uma tensão entre os
eletrodos de uma solução condutora, ao ser iluminada pela luz solar (4).
O efeito fotovoltaico voltou a ser estudado em 1870, dessa vez em sólidos como o
selênio, e em 1880 a primeira célula fotovoltaica foi fabricada usando esse mesmo
elemento. A eficiência dessa primeira célula era de 2%.Em 1950, os Estados Unidos
iniciaram pesquisa sobre o efeito fotovoltaico, para aplicação prática de sua tecnologia.
Em 1954, a primeira célula fotovoltaica de silício foi produzida no Laboratório Bell, em
Nova Jersey. O foco das pesquisas, então, passou a ser obter um sistema viável e de
longa vida útil para alimentação energética de satélites.
Com a crise do petróleo de 1973, percebeu-se que todo desenvolvimento
econômico e progresso científico era dependente do combustível fóssil. Surgiu, então,
uma preocupação de estudar novas formas de se obter energia. Isso fez com que as
células fotovoltaicas passassem a ser vistas como uma alternativa interessante para
suprir a falta de energia, não estando apenas restringidas a programas espaciais.
Com os avanços tecnológicos, foram descobertos muitos materiais
semicondutores que são apropriados à conversão fotovoltaica de energia solar em
energia elétrica. Os mais utilizados são o silício amorfo hidrogenado e o silício
cristalino. A eficiência máxima teórica das células solares de silício cristalino é de 25%.
As células produzidas industrialmente, porém, possuem eficiência de apenas 13 a 17%.
Para o silício amorfo hidrogenado, a máxima eficiência teórica é de cerca de 10,5%,
enquanto a produção industrial obtém uma eficiência máxima de 7 a 8%. O custo de
fabricação das células de silício amorfo hidrogenado é, porém, menor que os das células
de silício cristalino.
As células fotovoltaicas se agrupam formando módulos. Esses módulos podem ser
utilizados em maior número quanto maior for a potência requerida para a aplicação. Isso
é uma vantagem muito grande, porque se pode adicionar ou retirar módulos conforme a
necessidade, dependendo apenas do espaço disponível.
5
2.1 CÉLULAS FOTOVOLTAICAS
As células fotovoltaicas são os elementos diretamente responsáveis pela
conversão da luz solar em eletricidade. Nelas ocorre o efeito fotoelétrico. Elas podem
ser fabricadas usando vários tipos de materiais semicondutores. As mais utilizadas são
de silício, classificado de acordo com sua estrutura molecular em: monocristalino,
policristalino e amorfo.
Figura 2 - Célula fotovoltaica.
2.2 PAINÉIS OU MÓDULOS FOTOVOLTAICOS
Uma única célula fotovoltaica tem baixa tensão e baixa corrente de saída. Para
que se atinja a tensão almejada nas aplicações, um grande número delas é agrupado
formando painéis fotovoltaicos (ou módulos fotovoltaicos). São agrupadas tantas
células quanto necessárias para atingir a tensão e potência requeridas. A associação das
células pode ser em série ou em paralelo.
As células que são associadas em paralelo, têm terminais do mesmo tipo (positivo
ou negativo) ligados a um ponto comum. Os terminais positivos são todos ligados ao
mesmo ponto e os negativos são ligados a outro ponto. A tensão final é a mesma (como
em todos os dispositivos ligados em paralelo), mas a corrente final é a soma das
correntes em cada célula, resultando numa corrente total bem mais alta. Na associação
em série, o terminal negativo de uma célula é ligado ao terminal positivo de outra
célula. Esse tipo de associação tem como característica a mesma corrente para todas as
células, mas a tensão total é a soma das tensões em cada uma das células.
6
Figura 3 – Painel fotovoltaico.
A potência dos módulos fotovoltaicos é expressa pela potência de pico. Essa
potência corresponde ao máximo valor de potência que pode ser entregue, em condições
ambientais ideais.O que mais influencia as características elétricas dos painéis, e,
portanto, na sua eficiência, são a intensidade da luz solar e a temperatura das células. As
curvas características dos módulos fotovoltaicos são apresentadas tendo por base uma
radiação solar de 1000W/m , a uma temperatura de 25°C. O aumento de uma
temperatura na célula faz com que a eficiência do módulo caia, baixando o ponto de
operação de potência máxima ou de pico.A Figura 4 mostra a relação entre corrente
etensão nas células em função da intensidade luminosa.
Figura 4 – Relação entre corrente etensãoem função da intensidade luminosa.
7
Figura 5 - Embarcação equipada com painéis fotovoltaicos.
Quanto à capacidade de geração de energia solar, para ser obtidaa máxima
eficiência,a incidência de luz solar deve ser ortogonal às células fotovoltaicas. Assim
sendo, para o máximo aproveitamento, os módulos devem se mover de acordo com o
movimento do sol ao longo do dia, mudando sua inclinação. Porém, módulos capazes
de acompanhar o movimento solar são mais custosos, com partes móveis que
precisariam de manutenção frequente. O que se deve fazer, então, é determinar a melhor
inclinação para cada região de operação, de acordo com a latitude e a longitude.
Níveis elevados de insolação, por outro lado, aumentam a temperatura da célula.
Isso reduz a eficiência do módulo, porque a tensão diminui com o aumento de
temperatura. A corrente aumenta muito pouco, insignificantemente. Os módulos de
silício amorfo são os que menos sofrem redução de rendimento com o aumento da
temperatura, apesar de essa redução também ser considerável.A Figura 5apresenta um
exemplo de embarcação equipada com painéis ou módulos fotovoltaicos.
2.3 ACUMULADORES (BATERIAS)
A função principal dos acumuladores, ou baterias, é armazenar a energia
produzida durante as horas de luminosidade. As baterias também têm como função
estabilizar a corrente e a tensão. Existem dispositivos que exigem maiores correntes em
determinados momentos. Os motores, por exemplo, exigem uma maior corrente no
momento de arranque. A bateria pode então fornecer essa corrente maior, porque no
caso dos módulos solares eles não podem fornecer uma corrente superior à corrente
nominal.
8
As baterias são compostas de células. Célula é a unidade eletroquímica
fundamental de uma bateria e apresenta uma tensão característica, de acordo com o
material. Uma célula é uma combinação de dois eletrodos e do eletrólito. Durante a
descarga de uma célula, ocorrem reações químicas entre o material ativo de cada
eletrodo e o eletrólito, produzindo eletricidade. Durante o processo de carga a reação
inversa ocorre, consumindo energia. A polaridade dos eletrodos indica o sinal da carga
que eles possuem.
As baterias podem ser primárias ou secundárias. O primeiro tipo não pode ser
recarregado, e deve ser descartada após o esgotamento. O segundo tipo pode ser
regenerado: quando uma corrente elétrica é aplicada nos terminais as reações
responsáveis pela geração de energia elétrica são revertidas. Os sistemas fotovoltaicos
utilizam baterias secundárias, que podem ser recarregadas. Os tipos mais comuns de
baterias usadas em sistemas fotovoltaicos modernos em embarcações são as de íon-lítio
e lítio-ferro.
O grande emprego das baterias de íon-lítio se justifica pelo grande número de
vantagens desse tipo de bateria em relação aos outros. O lítio é um elemento altamente
reativo, por isso possui grande densidade de energia. Ou seja: é possível armazenar
muito mais energia em baterias mais leves. Outra grande vantagem é que esse tipo de
bateria não sofre o efeito de memória, popularmente conhecido como “vício de bateria”.
Esse tipo de bateria consegue suportar centenas de ciclos de carga e descarga. É também
o tipo de bateria usado em eletrônicos, como celulares (5).
Figura 6 – Bateria náutica de Íon-Lítio.
9
Figura 7 – Bateria náutica de Lítio-Ferro.
As baterias de lítio-ferro possuem tecnologia derivada das baterias de íon-lítio,
por isso compartilham vantagens e desvantagens. Uma vantagem da bateria de lítio-
ferro em relação à de íon-lítio é possuir maior durabilidade. Além disso, possuem tensão
de descarga muito constante, o que pode praticamente eliminar a necessidade de uso de
reguladores de tensão. Esse tipo de bateria também é conhecido como bateria LFP, e é
considerada mais segura que a bateria de íon-lítio devido à sua maior estabilidade
química e térmica.
As baterias são projetadas para trabalharem a 25°C. Temperaturas mais baixas
reduzem significativamente sua capacidade e temperaturas mais altas resultam em uma
capacidade ligeiramente maior, acarretando, no entanto, diminuição do número de
ciclos, ou seja, menor vida útil.
Um conceito importante quando se fala de baterias é a profundidade de descarga.
Profundidade de descarga é a porcentagem da carga da bateria que pode ser consumida
sem que sua vida útil seja comprometida. Para aplicações em sistemas fotovoltaicos, é
recomendado o uso de baterias com ciclo profundo de carga. Ou seja, baterias as quais
100% da capacidade de carga pode ser consumida por ciclo.
Resumidamente, as características que devem ser buscadas em uma bateria no
processo de dimensionamento de um sistema solar fotovoltaico são:
Descargas profundas devem ser suportadas sem queda substancial da vida útil;
Menor necessidade possível de manutenção;
Alta eficiência de carregamento;
Taxa de auto-descarga baixa;
Boa confiabilidade;e
Trabalhar a temperaturas mais altas ou mais baixas que a temperatura
operacional sem perder consideravelmente o desempenho.
10
2.4 CONTROLADORES MPPT
Os controladores de carga ficam entre os painéis e as baterias e são utilizados para
controlar a tensão de entrada nas baterias, evitando sobrecargas ou descargas
excessivas, otimizando e prolongando a sua vida útil. Os painéis solares produzem mais
ou menos energia de acordo com a quantidade de luz solar e as baterias não suportam
esta variação. Para resolver esse problemasão utilizados os controladores de carga.
A sigla MPPT significamaximum power point tracking. Os controladores de carga
com essa tecnologia rastreiam o ponto de potência máxima do painel solar e, em vez de
reduzir a tensão entregue à bateria mantendo a mesma corrente, reduzem a tensão e
aumentam a corrente na mesma proporção. Isso faz com que a potência entregue à
bateria não seja reduzida e igual a aproximadamente 100% da potência fornecida pelo
painel (6).
Figura 8–Exemplo de MPPT.
2.5 GERAÇÃO FOTOVOLTAICA EM EMBARCAÇÕES
Existem três principais opções para suprimento do consumo doméstico de energia
elétrica em embarcações de turismo náutico (de pequeno a médio porte). A primeira
delas é o uso de baterias, a serem recarregadas. A segunda é o uso de geradores
elétricos, que consomem combustível. A terceira é a instalação de painéis solares e/ou
turbinas eólicas, opções estasque se constituem em alternativas de energia renovável.
Conforme mencionado, os elementos que constituem um sistema de geração
fotovoltaico são: painéis solares, controladores e baterias. Os painéis solares são ligados
aos controladores, que monitoram a tensão de entrada nas baterias. Os controladores são
ligados às baterias, fornecendo uma tensão que será distribuída aos diversos
consumidores da embarcação (Figura 9). Pode-se optar pelo uso de inversores, caso seja
necessário ou desejável, o uso de corrente alternada a bordo. A Figura 10 apresenta um
esquema de um sistema fotovoltaico de uma embarcação.
11
Figura 9 - Esquema de um sistema fotovoltaico sem/com o uso de inversor.
O cálculo da demanda de energia elétrica é muito importante para uma
embarcação de turismo náutico, pois o subdimensionamento pode estragar um dia de
passeio (resultando em, por exemplo, em bebidas quentes sem refrigeração, luzes de
emergência apagadas, etc). Dessa forma, a estimativa do consumo de energia deve ser
muito bem realizada no balanço elétrico da embarcação.
Figura 10 – Exemplo de sistema de geração fotovoltaica em embarcações.
3 CASO DE ESTUDO
3.1 MODALIDADES DAS OPERAÇÕES TIME CHARTER
O time charter é o fretamento ou locação de umaembarcação, em pacote turístico,
por um período de tempo e com a contratação de profissionais para os serviços de
bordo. O cliente interessado contrata o aluguel de um barco de qualquer tamanho ou
tipo, em qualquer lugar do mundo onde esteja disponível, podendo agregar ou não
diversos serviços e funcionalidades (7).
12
Em tese, todo tipo de embarcação pode ser alugada. Dependendo apenas do lugar,
do roteiro e do dinheiro que se está disposto a investir na experiência de férias ou
atividade corporativa. Uma das grandes vantagens do mercado de charter de
embarcações é sua versatilidade. Ou seja: há inúmeras opções de destinos, tipos de
viagem e de embarcações.
É possível fazer um day charter, alugando um barco para um passeio de um dia.
Ou fazer o que é chamado charter completo, que dura no mínimo uma semana. O preço
varia conforme o local escolhido, a época (baixa, média ou alta temporadas) e o tipo e
tamanho do barco alugado. Não é necessário nenhum conhecimento ou experiência com
embarcações. A partir do momento que pisa na marina, o cliente tem todos os serviços à
sua disposição. Sua única preocupação passa a ser aproveitar a viagem. Os destinos são
geralmente locais aos quais não se imagina chegar ou visitar pelas formas
convencionais. Pode ser considerado um resort realmente exclusivo e itinerante, um
serviço de luxo.
Existem três categorias principais na modalidade de time charter, todas tripuladas
com comandante, a saber: luxurycrewed charter, skipered charter e crewed charter.
Embora essas categorias se pareçam de alguma forma, são bem distintas no resultado
final. O que é levado em conta em sua separação é a quantidade de serviços incluídos e
o tipo de experiência que se deseja ter: se a prioridade é comodidade e mordomia, ou
aventura e novas experiências.
No luxurycrewed charter o cliente chega ao cais, deixa o carro estacionado no
interior da marina e, a partir de então, suas preocupações vão se resumir à felicidade de
estar a bordo. As empresas que fornecem esse tipo de charter se preocupam em
conhecer os clientes com antecipação. Quanto mais informações são passadas, mais o
barco vai se parecer com o próprio barco do cliente.A partir daí a tripulação
(comandante e chefe de cozinha) estará à disposição, são anfitriões treinados.
O skipered charter é bastante oferecido por empresas que também têm o bareboat
(casco nu) como produto. Ele abre a possibilidade de alugar o barco em um formato
confortável e também seguro para um cliente que não tem habilitação para navegar ou
que não tenha muita experiência.O skipered charter se assemelha ao luxurycrewed
charterem alguns aspectos importantes. Haverá um capitão a bordo o qual será
responsável pela navegação. No entanto, é de responsabilidade do cliente todos os
demais serviços, incluindo, por exemplo, alimentação das pessoas a bordo.
13
Por fim, o crewed charter ou charter tripulado nada mais é do que pessoas que
alugam seus próprios barcos ou casas. Geralmente são renomados navegadores que
vivem a bordo e colocam seus barcos para alugar. Além da boa convivência, são
pessoas que têm muito a ensinar da vida em um barco. Pode ser interessante para quem
busca conhecimento mais aprofundado: ter a possibilidade de navegar e conversar com
pessoas que já fizeram grandes navegações, como volta ao mundo a vela.
A principal diferença entre essas três categorias de charter, embora todas contem
com tripulação contratada a bordo, está no conforto e no aproveitamento do tempo de
lazer. Há pessoas que encontram entretenimento na realização de tarefas diárias a bordo,
para as quais o skippered charter e o crewed charter são mais interessantes. Além disso,
as três modalidades oferecem um serviço sem que o cliente precise possuir seu próprio
barco, o que é muito vantajoso em alguns casos.O Brasil, felizmente, já possui os três
modelos à venda, o que o coloca em posição privilegiada. Principalmente, se a isso for
somado o fato de ter algumas regiões especialmente agradáveis para a prática dessa
forma de lazer.
3.2 DEMANDA DE ENERGIA ELÉTRICA EM EMBARCAÇÕES TIME
CHARTER
A demanda de energia elétrica em embarcações de charterpossui características
específicas. Isso se constitui em um desafio na elaboração do balanço elétrico da
embarcação. As embarcações empregadas no turismo náutico, por representar seu objeto
motivador, apresentam características híbridas entre hotéis e barcos.
Na modalidade deluxurycrewed charter, a embarcação é praticamente um hotel
flutuante. Por isso, além de uma tripulação treinada e que atende completamente a todas
as necessidades dos clientes, há a necessidade de dispor-se de diversos eletrodomésticos
e equipamentos a bordo. Essa representa a modalidade de time chartercom o mais alto
consumo de energia elétrica.
Os clientes que procuram a modalidade de skipperedcharter se diferenciam
daqueles que buscam o luxurycrewed charter por ser um público mais disposto a
realizar serviços domésticos a bordo. Nessa modalidade não há, geralmente, um chefe
de cozinha. Por isso toda preparação de refeições e arrumação do barco é de
responsabilidade dos clientes. Nessas situações geralmente se opta pela praticidade, de
modo que, por exemplo, em vez de as refeições serem preparadas a bordo pode-se trazer
14
comidas pré-prontas que sejam aquecidas em micro-ondas. Isso demanda menor uso de
eletrodomésticos, e, consequentemente, menor demanda de energia elétrica.
No crewed charter,ou charter tripulado, o barco é geralmente a casa do
comandante. Desse modo, todos os eletrodomésticos e equipamentos essenciais no dia a
dia devem estar presentes. No entanto, não é uma modalidade luxuosa como o
luxurycrewed charter, de modo que a demanda energética se torna inferior. Essa
modalidade ocupa, então, uma posição intermediária em demanda de energia elétrica
entre o luxurycrewed charter e o skippered charter.É importante lembrar que certos
consumidores de energia elétrica são comuns para as três modalidades. Por exemplo, as
luzes e instrumentos de navegação.
3.3 EMBARCAÇÃO DE REFERÊNCIA
Este projeto de graduação tem como foco a análise do uso da energia solar como
fonte auxiliar de energia elétrica de uma embarcação de turismo náutico. A embarcação
em questão é fruto de um projeto desenvolvido no Polo Náutico da UFRJ,
denominadaCatamaroca.O Catamarocaé um barco, do tipo catamarã, que se aplica à
modalidade de luxurycrewed charter. As características principais da embarcação são
apresentadas na Tabela 1.
A região de operação da embarcação é a cidade de Angra dos Reis, RJ. É uma
cidade de crescente demanda de turismo náutico, cuja região abriga algumas empresas
de charter já estabelecidas. A operação da embarcação consiste em atividades de
turismo náutico entre a cidade de Angra dos Reis e praias ao seu redor, em uma
configuração de saídasday charter.
Tabela 1 - Características principais do Catamaroca.
Tipo Catamarã "Day Charter"
Comprimento Total 14,0 m
Boca 8,40 m
Pontal 7,95 m
Calado Máximo 1,20 m
Velocidade 12 nós
Tripulação 3
Capacidade de passageiros 50
Propulsão Motor Diesel, alta rotação
15
Ou seja, o ciclo de operação da embarcação tem a duração de um dia. A distância
entre Angra dos Reis e a Ilha Grande, principal destino do serviço de charter, é de 13,3
km (Google Earth Pro).
A alternativa do uso da geração fotovoltaica em uma embarcação day charterpode
ser considerada como uma alternativa segura. As saídas da embarcação ocorrem,
predominantemente, em dias ensolarados e, sendo seu ciclo de operação diário, mesmo
em períodos nublados ou de chuva, nos quais a radiação solar é menor, há a
possibilidade de carregamento das baterias diretamente da concessionária de energia
durante o período noturno. Ou seja, o risco da embarcação ficar sem energia elétrica se
restringe, apenas, falhas nos sistemas de armazenamento e/ou distribuição de energia.
No caso específico de uma embarcação de turismo náutico, dois fatores devem ser
levados em consideração na utilização de um sistema de geração fotovoltaica. Primeiro,
a embarcação deve possuir espaço para atividades recreativas, de modo que o convés
não pode ser ocupado por placas solares. Além disso, o critério intangível de se estar em
um barco bonito também deve ser considerado.AsFigura 11a Figura 13apresentam
vistasda embarcação Catamaroca.
Figura 11 - Vista do Catamaroca, Perspectiva.
16
Figura 12 – Vista interna, bombordo.
Figura 13 - Vista interna, boreste.
Figura 14 - Arranjo interno, bombordo.
Figura 15 - Arranjo interno, boreste.
17
4 PROJETO DO SISTEMA DE GERAÇÃO FOTOVOLTAICA
4.1 INCIDÊNCIA SOLAR EM ANGRA DOS REIS
Na região da Costa Verde, na qual se localiza a cidade de Angra do Reis,
seobserva uma alta incidência de energia solar de ondas curtas ao longo do o ano, com
pequena variação e apresentando intensidades moderadas a altas, como mostra a Figura
16. O período mais escuro do ano tem média de irradiação de 4,4 kWh/m2. O período
mais claro tem média de 5,8 kWh/m2. Para fins de cálculo de capacidade de geração
fotovoltaica, porém, o valor a ser considerado é o menor valor ao longo do ano. Esse
valor é de 3,9 kWh/m2, sendo então o tempo de sol pleno adotado igual a 3,9 h/dia(8).
Figura 16 - Incidência de energia solar ao longo do ano na região de Angra dos Reis.
4.2 BALANÇO ELÉTRICO
Chama-se balanço elétrico o levantamento da demanda de energia elétrica a ser
suprida para a operação de uma embarcação. Conhecida a demanda, o dimensionamento
do sistema de geração de energia elétrica é realizado e seus respectivos equipamentos
são selecionados.O consumo de energia elétrica depende dos seguintes fatores:
Potência nominal do equipamento;
Fator de carga;
Fator de simultaneidade;e
Quantidade de equipamentos em serviço para diferentes condições de
operação.
18
O fator de carga é a razão entre a potência nominal do equipamento e o valor da
potência média consumida durante a operação. Assim, um equipamento de, por
exemplo, 100 W de potência e fator de carga igual a 90%,consome, em média, 90 W
quando em operação normal.O fator de simultaneidade leva em consideração a parcela
do tempo total de operação da embarcação na qual o equipamento fica ligado. Assim,
por exemplo, para um tempo de operação de 24 horas, um equipamento com fator de
simultaneidade igual a 50% fica ligado apenas durante 12 horas.
Em embarcações como o Catamaroca, de médio porte e voltadas ao turismo
náutico de charter diário, o cálculo do balanço elétrico não pode ser feito como em
grandes navios. Foram estudadas várias formas de realizar o balanço elétrico e, através
de discussões, chegou-se a conclusão de que o melhor método seria o uso de
aproximações residenciais aliadas à planilha de balanço elétrico utilizada no projeto de
navios. Aproximações feitas para uso residencial fornecem a potência nominal dos
equipamentos e a planilha de balanço elétrico fornece os valores dos fatores de carga e
de simultaneidade. Os valores de fator de simultaneidade também foram ajustados de
modo a melhor representar as características de utilização dos equipamentos em uma
operação day charter.
A planilha de balanço elétrico foi dividida em alguns grupos. Para o Catamaroca,
considerando seu porte e características de operação, foram usados quatro grupos, a
saber: “Cozinha”, “Iluminação e Tomadas”, “Equipamentos Náuticos e de Auxílio à
Navegação” e “Chuveiros”. A Tabela 2apresenta o que foi feito no primeiro grupo,
“Cozinha”. Os fatores de carga adotados estão de acordo com o estabelecido pela norma
ABNT NB-7567. Os valores de potência nominal foram definidos tendo como
referência padrões de usoresidencial.
Um fator de simultaneidade igual a 0,2 significa que, ao longo de 24 horas de
operação, o equipamento opera apenas 20% desse período. Assim sendo, os
equipamentos do grupo “Cozinha”estarão funcionando,diariamente, por um período de
4,8 horas, tal como mostra a Tabela 2. AsTabela 3 aTabela 5apresentam os resultados
para os demais grupos.
O cálculo da potência requerida para as luzes de navegação foi feito a partir do
RIPEAM 1972 (Regulamento Internacional para Evitar Abalroamentos no Mar de
1972). Foram definidas 6 luzes de navegação, com potência entre 40 e 50 watts,
conforme o regulamento para visibilidade das luzes (RIPEAM - Regra 22 “Visibilidade
das Luzes”).
19
Tabela 2 - Grupo “Cozinha”.
Tabela 3 - Grupo "Iluminação e Tomadas".
Tabela 4 - Grupo "Equipamentos Náuticos e de Auxílio à Navegação".
Tabela 5 - Grupo "Chuveiros".
Po
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cia
a
bso
rvid
a
Po
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a
bso
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a
Item Descrição do consumidor kW kW kW kW
1 Fogão elétrico 1,00 2,00 1,00 2,00 1,00 2,00 1,00 2,00
2 Geladeira 2,00 0,09 1,00 0,09 2,00 0,18 2,00 0,18
3 Chapa quente 1,00 0,50 1,00 0,50 1,00 0,50 1,00 0,50
4 Cafeteira 1,00 0,50 1,00 0,50 1,00 0,50 1,00 0,50
5 Triturador de lixo 1,00 0,31 1,00 0,31 1,00 0,31 1,00 0,31
6 Microondas 1,00 0,75 1,00 0,75 1,00 0,75 1,00 0,75
No
. de
un
ida
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s in
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o
Cozinha
No
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nid
ad
es
em
se
rviç
o
N O M A R
ESSENCIAL NORMAL
P O T Ê N C I A T O T A L A C O N S I D E R A R (kW) 0,699 0,699
3,494
F A T O R D E S I M U L T A N E I D A D E 0,200 0,200
P O T Ê N C I A T O T A L A B S O R V I D A (kW) 3,494
Po
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a
Po
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a
Item Descrição do consumidor kW kW kW kW
1 Compartimento do Motor 2 0,013 1,00 0,013 2 0,026 2 0,026
2 Acomodações 22 0,011 1,00 0,011 22 0,242 22 0,242
3 Convés principal 10 0,013 1,00 0,013 10 0,130 10 0,130
4 Tomadas (Consumidores Gerais) 1 0,500 1,00 0,500 1 0,500 1 0,500
No
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un
ida
de
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No
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Iluminação e Tomadas
No
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se
rviç
o
N O M A R
ESSENCIAL NORMAL
P O T Ê N C I A T O T A L A C O N S I D E R A R 0,269 0,269
F A T O R D E S I M U L T A N E I D A D E 0,300 0,300
P O T Ê N C I A T O T A L A B S O R V I D A 0,898 0,898
Po
tên
cia
a
bso
rvid
a
Po
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cia
a
bso
rvid
a
Item Descrição do consumidor kW kW kW kW
3 Rádio VHF 2 0,004 1,00 0,004 2 0,008 2 0,008
9 Ecobatímetro 1 0,008 1,00 0,008 1 0,008 1 0,008
25 Luzes de navegação 1 0,250 1,00 0,250 1 0,250 1 0,250
P O T Ê N C I A T O T A L A B S O R V I D A (kW) 0,266 0,266
No
. de
u
nid
ad
es
em
se
rviç
o
No
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u
nid
ad
es
em
se
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o
Equipamentos Náuticos e de Auxílio à Navegação
N O M A R
ESSENCIAL NORMAL
No
. de
un
ida
de
s in
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lad
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Po
tên
cia
n
om
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Fa
tor
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ca
rga
Po
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a
bso
rvid
a
P O T Ê N C I A T O T A L A C O N S I D E R A R (kW) 0,133 0,133
F A T O R D E S I M U L T A N E I D A D E 0,50 0,50
Po
tên
cia
a
bso
rvid
a
Po
tên
cia
a
bso
rvid
a
Item Descrição do consumidor kW kW kW kW
1 Chuveiro Quente 2,000 2,000 0,750 1,500 1,000 1,500 1,000 1,500
No
. de
un
ida
de
s in
sta
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as
Po
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n
om
ina
l
Fa
tor
de
ca
rga
Po
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a
bso
rvid
a
No
. de
u
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es
em
se
rviç
o
Chuveiros
No
. de
u
nid
ad
es
em
se
rviç
o
N O M A R
ESSENCIAL NORMAL
P O T Ê N C I A T O T A L A C O N S I D E R A R (kW) 0,150 0,150
F A T O R D E S I M U L T A N E I D A D E 0,100 0,100
P O T Ê N C I A T O T A L A B S O R V I D A (kW) 1,500 1,500
20
Tabela 6 - Potência Total.
Cabe ressaltar que o quarto grupo, “Chuveiro”, não existe na planilha original,
sugerida pela norma ABNT NB-7567.Tal recurso fez-se necessário para tornar possível
a adoção de um fator de simultaneidade específico para os chuveiros elétricos de bordo.
Sendo os chuveiros elétricos os maiores consumidores individuais é importante limitar
seu uso, de modo a evitar uma demanda elétrica excessiva.O fator de simultaneidade foi
definido igual a 10%, o que significa que, em um período de operação de 24 horas, os
chuveiros elétricos ficarão cerca de 2,4 horas ligados. O fator de potência para os
chuveiros elétricos foi definido conforme o valor usualmente adotado para o consumo
residencial. A Tabela 5 apresenta os resultados para esse grupo.
A partir dos resultados dos quatro grupos de consumidores, a Tabela 6 fornece o
resultado para a potência elétrica total a ser considerada. De acordo com os resultados
obtidos, a potência elétrica total a ser considerada no dimensionamento do sistema de
geração fotovoltaica do Catamarocaequivale a 1,4kW.
4.3 CÁLCULO DOCONSUMO DIÁRIO DE ENERGIA ELÉTRICA
O dimensionamento do sistema de geração fotovoltaicatem por base o valor de
consumo diário de energia elétrica da embarcação.O consumo diário de energia elétricaé
dado por:
á ê (1)
O intervalo de tempo a ser considerado equivale a um dia inteiro de operação do
Catamaroca. Ou seja, 24 horas, considerando que a tripulação poderá pernoitar na
embarcação. Considerando um valor de potência elétrica total de 1,4kW, tem-se que:
á 1400W 24h 33.600 .
1
2
3
4
ESSENCIAL NORMAL
Cozinha 0,699 0,699
GRUPO C L A S S I F I C A Ç Ã ON O M A R
Chuveiros 0,150 0,150
Iluminação e Tomadas 0,269 0,269
Equipamentos Náuticos e de Auxílio à Navegação 0,133 0,133
Acréscimo de 10% por Segurança 1,376 1,376
POTÊNCIA TOTAL DOS GRUPOS (KW) 1,251 1,251
21
Sendo uma embarcação de day charter, na qual cada ciclo de serviço dura apenas
um dia, o sistema de geração fotovoltaica deve ser capaz de gerar, minimamente, apenas
o valor de consumo diário. Todavia, há que se consideraros dias nublados e/ou
chuvosos, no qual a geração fotovoltaica é sensivelmente afetada. Cabe ressaltar, no
entanto, que a geração fotovoltaica representa o meio de reposição da energia
armazenada no banco de baterias. O banco de baterias da embarcação é dimensionado
para uma capacidade, no mínimo, equivalente ao consumo diário de energia elétrica.
Assim sendo, considerando-se uma condição inicial de operação com o banco de
baterias totalmente carregado, o sistema fotovoltaico irá proporcionar, ao longo do dia,
a quantidade de energia elétrica consumida a bordo. Isto garante, em condições ideais,
que o banco de baterias irá encerrar o ciclo de operação diário sempre carregado.
4.4 DIMENSIONAMENTO E SELEÇÃO DOS PAINÉIS FOTOVOLTAICOS
O valor da área de painéis necessária em uma instalação de geração fotovoltaica é
dado por:
.
ê ó
ê çã (2)
Como alguns dos dados são especificações técnicas dos painéis, primeiro será
feita sua seleção. Para seleção dos painéis foi considerado que eles deveriam ter alta
eficiência, considerando a menor área disponível possível e o alto nível de exigência do
público alvo.
Figura 17 - Painel VBHN330SA16 Panasonic.
22
Figura 18 - Especificações elétricas, painel VBHN330SA16 Panasonic.
Figura 19 - Dimensões, painel VBHN330SA16 Panasonic.
23
Pensando nisso, o módulo selecionado foi o VBHN330SA16, da fabricante
Panasonic (9). Esse módulo é capaz de gerar até 330 W com uma área de 1,67 m2. Ou
seja, 197 W/m2, o que significa que possui uma eficiência de 19,7%, sendo classificado
como um dos melhores módulos do mercado nessa faixa de potência. A Figura 17 e a
Figura 18apresentam o módulo selecionado e suas especificações técnicas.A Figura
19apresenta as dimensões do painel fotovoltaico selecionado.
De acordo com a Equação (2), apresentada anteriormente, tem-se:
.
ê ó
ê çã ,
0,9
≅ 48,59
Considerando-se um valor de eficiência de geração fotovoltaica(geração PV) igual
a 0,9.O resultado indica que a área necessária de painéis fotovoltaicos para satisfazer a
demanda de energia elétrica por um período de 24 h deve ser de aproximadamente 48,6
m2.O número de módulos necessários é dado por:
48,61,67
29,1 30 ó
A Figura 20 apresenta as dimensões da área do Catamarocaoriginalmente
destinada para instalação dos módulosfotovoltaicos. O espaço engloba a área de um
toldo, localizado acima do convés superior da embarcação, região esta tipicamente
utilizada para localização de painéis fotovoltaicos.
Figura 20 - Arranjo dos módulos fotovoltaicos.
24
Figura 21 - Áreas não planas para instalação de painéis fotovoltaicos flexíveis.
Como pode ser observado, é possível enfileirar 3 módulos fotovoltaicos
longitudinalmente e 5 módulos transversalmente, perfazendo um total de apenas 15
módulos, valor este inferior ao número requerido. De modo a contornar tal limitação,
optou-se pela instalação de módulos fotovoltaicos do tipo flexível, os quais podem ser
instalados em regiões curvas da embarcação, regiões estas que não permitem a
instalação de módulos rígidos.A área não plana disponível na embarcação para a
instalação de módulos fotovoltaicos do tipo flexível é de, aproximadamente, 39,2 m2
(Figura 21). Para fins de análise, foram selecionados os módulos flexíveis do fabricante
Italiano Solbian (10), o qual oferece vários tamanhos e dimensões, como mostra a
Figura 22. A eficiência dos módulos flexíveis é, no entanto, inferior à dos módulos
rígidos, correspondendo a apenas cerca de 177W/m .
Figura 22 - Módulos Flexíveis - Diversos Tamanhos.
25
A área necessária, então, para suprir a demanda de energia elétrica restante é de:
.
ê ó
ê çã ,
0,9
18,3 .
A área disponível na embarcação é superior à requerida, o que permite ao sistema
de geração fotovoltaica satisfazer a demanda de energia elétrica.A diversidade de
formatos e dimensões possibilita um bom aproveitamento da área disponível para a
instalação dos painéis fotovoltaicos flexíveis.Os painéis rígidos dimensionados para
instalação na parte plana disponível no Catamaroca atendem ao consumo de energia
demandado. Quanto aos painéis flexíveis, porém, algumas observações são necessárias.
A área total disponível para instalação dos painéis flexíveis, como já falado, é de
39,21 m . A área necessária para suprir todo o balanço elétrico é de:
18,3 .
Tal valor é inferior à área total.Porém, esse cálculo não considera perdas relativas
à instalação dos módulos. Por exemplo, folgas entre um módulo e outro e problemas de
geometria. Além disso, certas partes possuem inclinação muito alta, fazendo com que a
potência por metro quadrado seja inferior ao valor nominal do módulo. Em
consequência, será necessária a instalação de um número maior painéis solares, a fim de
considerartais perdas. Em vista disso, possivelmente, área total requerida de painés
solares pode excederà área disponível na embarcação.
Esse é um ponto do projeto em que certas discussões devem ser feitas. A náutica e
a construção naval precisam incorporar concepções ecologicamente corretas. De modo
que, para que o projeto seja completamente viável, algumas reduções de consumo
visando à economia de recursos devem ser feitas. Um exemplo de redução de consumo
seria eliminar o fogão elétrico, trazendo comida semi-pronta a bordo, para aquecer
apenas com o auxílio de micro-ondas. Outro exemplo é reduzir a duração do banho da
tripulação, diminuindo o consumo com chuveiro elétrico. Esse tipo de postura amigável
ao meio ambiente é ainda mais coerente com regiões como Angra dos Reis, como
mostra a Figura 23.
26
Figura 23 – Imagem da região de Angra dos Reis.
4.5 DIMENSIONAMENTO E SELEÇÃO DAS BATERIAS
As baterias devem ser dimensionadas para armazenar, minimamente, a mesma
quantidade de energia que os módulos fotovoltaicos são capazes de gerar em um dia,ou
seja:
á 33600 .
Algo que deve ser considerado na seleção das baterias é a profundidade de
descarga. Sempre deve haver energia residual nas baterias, e essa energia residual deve
ser de no mínimo 20% da carga máxima. Ou seja, a profundidade máxima de descarga é
de 80%, recomendada para baterias de uso marítimo. É feito, então, o seguinte cálculo:
. (3)
ou seja:
. ,
0,9
. 46.667 .
A capacidade das baterias é calculada, então:
. .
ã çã é (4)
27
Resta determinar qual será a tensão da instalação elétrica a bordo. Muitas
embarcações pequenas possuem instalações elétricas com baixa tensão (12V e 24 V).
Porém, com a popularização do uso de inversores, isso mudou. Os inversores
transformam a corrente contínua em corrente alternada.
A maioria dos equipamentos náuticos opera na tensão de 12 V. Porém, no
Catamaroca, isso não é interessante, por ser uma embarcação de passeio, em que é
necessário o uso de eletrodomésticos, cuja tensão de alimentação é de 110 V ou 220 V.
Esses dois valores de tensão permitem muito mais opções de equipamentos e
eletrodomésticos, mas o risco de choque elétrico em instalações de 110 V são bem
menores que em de 220 V. Um choque na tensão de 220 V pode ser fatal em ambiente
molhado (11).
Figura 24–Modelo Selecionado e especificações técnicas da bateria.
28
Decidiu-se, então, que a tensão de alimentação do Catamaroca será de 110 V.
Então:
.46.667 .
110
. ≅ 424,24 .
A partir de uma pesquisa de fabricantes de baterias, verificou-se que a Winston
Batteries(12) oferece uma bateria com capacidade de 500A.h. O modeloLTHP500AHA,
Ion-Lithium, desse fabricante foi então selecionado (Figura 24).
A partir das especificações da bateria selecionada fornecidas pelo fabricante,
verificou-se que a tensão de operação de cada célula é de 2,5 V. O número de células
necessárias para compor o banco de baterias é dado, então, por:
ã çã é
ã (5)
1102,5
44 é .
Ou seja, o banco de baterias é formado por 44células, a serem conectadas em
série, somando uma massa total de 572 kg. Esse número relativamente grande pode ser
preocupante em embarcações de pequeno porte. Porém, as características de tonelagem
de porte bruto do Catamaroca, de aproximadamente 6,0 t, não impõem restrições a esse
item de peso. De modo que seria possível selecionar baterias com maior capacidade de
armazenamento e, portanto, com maior peso total,obtendo assim uma folga na
capacidade de armazenamento e fornecimento de energia.As baterias podem ser
divididas entre os dois cascos e, ainda assim, serem conectadas em série.
5 ENERGIA SOLAR EM MANOBRAS
O objetivo principal deste projeto foiestudar a viabilidade da adoção da energia
solar como uma fonte auxiliar de energia para uma embarcação de turismo náutico.
Uma segunda consideração particularmente interessante éanalisar a viabilidade de se
utilizar a energia solar também para a propulsão durante as manobras de partida e
chegada em praias e píeres.
29
O consumo de energia durante manobras é de difícil estimativa, visto que se
observam grandes variações de potência, aplicadas durante diferentes períodos de
tempo. De modo a estimar a energia gasta pelo Catamarocaem manobras foram
assumidas hipóteses simplificadoras, a saber:
As manobras de aproximação e afastamento dos píeres, bem como as manobras
em praias, são realizadasa uma velocidade de 4,0 nós;e
O consumo de potência é constante, sem acelerações/desacelerações
repentinas.
Ao assumir a hipótese de manobrar a embarcação utilizando energia solar, faz-se
necessária a instalação de motores elétricos como motores auxiliares à propulsão. Há
diversas opções no mercado de configurações híbridas de propulsão, compostas pela
combinação de motores a combustão e motores elétricos. Neste trabalho foi adotada a
configuração mais simples, a qual consiste na instalação de motores de popa elétricos,
independentes do sistema propulsivo principal. Nesta configuração, os motores de popa
elétricos são utilizados apenas quando necessário, permanecendo fora d’água quando
inoperantes. Na Figura 25 é apresentada a imagem de um modelo de motor de popa
elétrico, fabricado pela empresa alemã Torqeedo.
Figura 25 – Motor de popa elétrico, 5hp (Torqeedo).
30
5.1 ESTIMATIVA DA POTÊNCIA PROPULSIVA EM MANOBRAS
O valor de potência propulsiva de uma embarcação é dado por:
. (6)
ondeV representa a velocidade e RT a resistência total ao avanço, a qual pode ser
expressa por:
(7)
Sendo, a massa específica da água, S a superfície molhada do casco e CT o
coeficiente de resistência total. Assim sendo, a potência propulsiva pode ser obtida pela
expressão:
≅ (8)
O termo C na Equação (8) envolve termos constantes, a menos do coeficiente de
resistência total, CT, cujo valor é função da velocidade. Resultados experimentais com
modelos reduzidos de cascos (13) indicam que o valor de CT varia inversamente com a
velocidade.
Em função das características operacionais da embarcação, o Catamaroca possui
cascos com linhas tipicamente de deslocamento. A resistência friccional representa a
principal componente da resistência total ao avanço em cascos de deslocamento (13).
Assim sendo, é razoável assumir, para fins da estimativa da potência em manobras, que:
∆ ≅ ∆ (9)
ondeCF representa o coeficiente de resistência fricccional.
Adotando a formulação sugerida pelo ITTC-57 para o cálculo do coeficiente de
resistência friccional, tem que
(10)
ondeRrepresenta o número de Reynolds e os subscritos VM e VS representam,
respectivamente, a velocidade de manobra (4 nós) e a velocidade de serviço (12 nós).
Sendo, portanto, razoável assumir, para fins de estimativa da potência em
manobras a hipótese de que:
≅
(11)
31
O Catamaroca é equipado com dois motoresYanmar (12), modelo 4CHE3,
capazes de propelir a embarcação na velocidade máxima de 12 nós. Nesta velocidade, a
demanda de potência do sistema propulsivo é da ordem de 2 x 48
kW.Consequentemente, a potência propulsiva requerida a 3 nós é estimada em:
≅
≅ 5,862
5,0842 48
12 ó 3 4 ó 3 ≅ 4,1
O nível de potência requerida em manobra é suficientemente baixo para ser
suprido por motores de popa elétricos, estando disponíveis no mercado diversas opções
de fabricantes e modelos aptos a satisfazer a demanda estimada (5,7 hp).
5.2 ESTIMATIVA DA ENERGIA GASTA EM MANOBRAS
A energia gasta em manobras é função tanto da potência propulsiva quanto do
tempo requerido, ou seja:
. (12)
Assumindo um tempo requerido em cada manobra de cerca de 10 minutos e um
total de 6 manobras por ciclo diário (partida do cais, 2 chegadas/partidas em praias e
chegada no cais), tem-se um total de 1 hora de operação em manobra por dia. Tem,
então, que a energia gasta em manobra por casco equivale a:
. 4,1 1
. 4,1 .
5.3 QUANTIDADE DE PAINÉIS SOLARES E BATERIAS
Para suprir com energia solar a demanda de energia da embarcação em manobra, é
necessário calcular a área de painéis solares para essa finalidade. Realizando novamente
o cálculo, para os valores dos painéis flexíveis:
.
ê ó
ê çã 13
,
0,9≅ 13,2 .
32
Como ainda sobraram cerca de 21m de área para instalação de painéis flexíveis
na embarcação, a demanda de energia em manobra pode ser satisfeita.
A área disponível para instalação de módulos solares é um limitante. De modo
que outra forma de redução da energia fornecida por eles seria utilizar a energia solar
nas manobras apenas nas praias. Para as manobras no cais, seria utilizado o motor a
combustão. Desse modo, em vez de se considerar seis manobras, seriam consideradas
apenas quatro, perfazendo um total de duas saídas e duas chegadas.
Para as baterias, o cálculo da nova capacidade deve incluir a energia armazenada
para atender os dois motores. De modo que:
. .
ã çã é 14
.54.867 .
110
. ≅ 498,8 . .
Como a capacidade das baterias selecionadas já é de 500 A.h não é necessária
uma nova seleção.
6 ESTIMATIVA DA ECONOMIA DE COMBUSTÍVEL
Um cálculo breve permite estimar a economia de combustível obtida pela
utilização da energia solar a bordo do Catamaroca. Esse cálculo deve considerar o
consumo específico médio de geradores utilizados nesse tipo de embarcação, o qual é da
ordem de 270 g/kW.h(14). Dessa forma:
í .
. (15)
í 270 41,8
í 11286
í 11,286
E considerando a densidade do diesel igual a 0,82 kg/l:
í 13,764 ,
valor que representa a quantidade total de combustível economizado.
33
Para fins de comparação, adotando a hipótese de que o tempo de navegação por
ciclo diário seja de 3 h, o consumo total de combustível durante as travessias será da
ordem de:
á / .
ê (16)
á
í í (17)
.ê
í í (18)
270 48 3
820
47,4
em que 48 kW é a potência estimada para embarcações desse tipo, navegando a 12 nós.
Ou seja, a utilização da energia solar para suprir o consumo de energia elétrica dos
consumidores domésticos e da propulsão em manobra permite uma economia de 29%
de combustível por ciclo diário de operação.
7 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Harry Benford em seu artigo “The PracticalApplicationofEconomicsto Merchant
Ship Design” diz que o progresso requer ceticismo de todas as práticas passadas e boa
vontade para considerar o que ao primeiro olhar parece insanidade. (13) Dessa
perspectiva, pode-se afirmar que o pioneirismo é fundamental ao progresso científico.
Porém, nem sempre pioneirismo e boa vontade são suficientes.
O ideal no projeto do Catamaroca era que a energia fornecida pelos painéis
solares do barco fosse suficiente para suprir o consumo de energia elétrica e a
propulsão. Essa concepção não é aplicável, mas há algumas considerações a serem
feitas. O Catamaroca é um barco de passeio, que navega a curtos percursos e em águas
abrigadas. Embarcações com esse perfil operacional andam devagar, porque o próprio
barco é o objeto motivador da atividade de turismo. Por isso o consumo de combustível
não é tão grande, e poderia haver viabilidade de toda a operação da embarcação ser feita
na energia solar. Isso não é possívelno Catamaroca, mas já é visto em vários barcos no
mundo. No Catamaroca, a hipótese inicial de se suprir o consumo doméstico e a
propulsão em manobras mostrou-se viável, o que é uma grande coisa.
34
Em termos de custos, o preço do sistema solar é muito baixo se comparado ao
preço do barco. Embarcações desse tipo são de alto luxo, apresentam alto custo de
fabricação, de modo que a instalação do sistema solar também é viável do aspecto
econômico. Quantificando, um barco como o Catamarocacusta hoje no Brasil cerca de
4 milhões de reais. A instalação do sistema solar apresentado custaria cerca de 150 mil
reais, o que representa cerca de 4% do valor do barco.
Um navio mercante (e por navio mercante entende-se transporte de carga, pessoas
ou atividade recreativa) não é considerado um projeto de sucesso se não for um
investimento potencialmente lucrativo. É uma definição um pouco dura, já que existem
também critérios intangíveis que devem ser considerados. Um desses critérios é a
satisfação do armador. Outro critério pode ser a contribuição social ou ambiental. Por
exemplo: um navio hospital flutuante que atenda crianças na Amazônia não é um
projeto de sucesso? Sim, é. Concepções ecologicamente corretas seguem a mesma linha.
É tarefa do engenheiro encontrar o balanço entre a sofisticação tecnológica e a
viabilidade econômica. Uma falha comum de projetos de engenharia é o engenheiro
estar mais próximo de cientistas e pesquisadores que de empresários. Para um
engenheiro naval, um questionamento constante deve ser: que navio o armador espera
receber? A popularidade da energia solar vem crescendo anualmente no Brasil,
principalmente por conta da questão ambiental, e porque a tecnologia para esse tipo de
energia está se tornando mais barata com o passar dos anos. Por isso, é de se esperar que
um navio cuja demanda energética seja atendida por placas solares seja bem recebido.
O meio ambiente exige hoje medidas drásticas de redução de emissão de gases
poluentes. Porém, por diversas vezes os entraves tecnológicos dificultam que tais
medidas sejam tomadas. O rendimento das células solares, que ainda é extremamente
limitado, exemplifica bem esses entraves. Do ponto de vista do lucro, no entanto, é
importante observar que a sociedade em geral se agrada de concepções eco-friendly.
Sob essa perspectiva, pode-se dizer que uma embarcação movida parcialmente a energia
solar tem grandes chances de ser um projeto de sucesso, e que sem dúvida alguma é
uma excelente estratégia de marketing.
35
8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] FUTURE MARKET INSIGHTS,Customised Research. Disponível em:
<https://www.futuremarketinsights.com/>. Acessoem: 19/04/2018.
[2] YACHT CHARTER FLEET, Analysis: The Future Looks Bright for Yacht Charter
Industry. Disponível em: <https://www.yachtcharterfleet.com/news/analysis:-the-future-
looks-bright-for-yacht-charter-industry-4707.htm>. Acessoem: 19/04/2018.
[3] WESTMARINE, Advice and How To. Disponívelem:
<https://www.westmarine.com>. Acesso em 19/04/2018.
[4] BLUESOL, Efeito Fotovoltaico. Disponível em: <http://blog.bluesol.com.br/celula-
fotovoltaica-guia-completo/>. Acesso em: 25/04/2018.
[5] O ARQUIVO, As baterias de íon-lítio. Disponível em:
<http://www.oarquivo.com.br/variedades/ciencia-e-tecnologia/2516-as-baterias-de-ion-
litio.html>. Acesso em: 07/05/2018.
[6] NEOSOLAR, Controladores PWM e MPPT. Disponível em:
<https://www.neosolar.com.br/aprenda/saiba-mais/controladores-pwm-e-mppt>. Acesso
em: 10/05/2018.
[7] REVISTA NÁUTICA, Charter Tripulado. Disponível em:
<http://www.nautica.com.br/charter-tripulado/>. Acesso em: 22/04/2018.
[8] WEATHER SPARK, Clima em Angra dos Reis. Disponível em:
<https://pt.weatherspark.com/y/30463/Clima-caracter%C3%ADstico-em-Angra-dos-
Reis-Brasil-durante-o-ano>. Acesso em: 18/05/2018.
[9] PANASONIC, Photovoltaic module HIT VBHN330SA16/VBHN325SA16.
Disponível em: <ftp://ftp.panasonic.com/solar/specsheet/n325330-spec-sheet.pdf>.
Acesso em: 16/06/2018.
[10] SOLBIAN, Solar Panels/ Disponível em: <https://www.solbian.eu/en/5-sp-series>.
Acesso em: 10/08/2018.
[11] REVISTA NÁUTICA, Tensão a Bordo. Disponível em:
<http://www.nautica.com.br/tensao-a-
bordo/?doing_wp_cron=1527711032.9338850975036621093750>. Acesso em
16/06/2018.
36
[12] WINSTON-BATTERY, TS-LTHP500AHA. Disponível em:<http://www.winston-
battery.com/index.php/products/battery/item/ts-lthp250aha-2?category_id=176>.
Acessoem: 11/07/2018.
[13] LEWIS, E.V.; 1988, Principles of Naval Architecture Volume II, Nova Jersey,
The Society of Naval Architects and Marine Engineers.
[14] YANMAR SOUTHAMERICA, Propulsion Engines (High Speed). Disponível
em:<https://www.yanmar.com/global/marinecommercial/propulsion_engine-
high_speed/cheseries/>. Acessoem: 30/06/2018
[15] BENFORD, H., 1967, The Practical Application of Economics to Merchant Ship
Design, Marine Technology Volume 4.
