DIMENSIONAMENTO DE UM SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA … · Segundo [7], no ano de 2012, 18,1% de...

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

DIMENSIONAMENTO DE UM SISTEMA DE GERAÇÃO DE

ENERGIA FOTOVOLTAICA COM HIDROACUMULAÇÃO E

REGULARIZAÇÃO DE ENERGIA

Pedro Costa Ormonde

2015

i




Pedro Costa Ormonde

Projeto de Graduação apresentado ao Curso de

Engenharia Mecânica da Escola Politécnica,

Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte

dos requisitos necessários à obtenção do título de

Engenheiro.

Orientador: Prof. David Alves Castelo Branco

Co-orientador: Prof. Reinaldo de Falco

Rio de Janeiro

Agosto de 2015

ii

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica

DEM/POLI/UFRJ




Pedro Costa Ormonde

PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA

DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS

REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE

ENGENHEIRO MECÂNICO.

Aprovado por:

________________________________________________

Prof. David Alves Castelo Branco

________________________________________________

Prof. Reinaldo de Falco

________________________________________________

Prof. Silvio Carlos Aníbal de Almeida

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL

AGOSTO DE 2015

iii

Ormonde, Pedro Costa

Sistema gerador energia fotovoltaica com

armazenamento e regularização para o laboratório do

PPE/COPPE/ Pedro Costa Ormonde– Rio de Janeiro: UFRJ/

Escola Politécnica, 2015.

44 p.: il.; 29,7 cm.

Orientador: David Alves Castelo Branco, D.Sc.

Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso

de Engenharia Mecânica, 2015.

Referências Bibliográficas: p. 45-49.

1.Hidroacumulação. 2.Armanzenamento energético.

3.Energia solar fotovoltaica. 4.Fontes renováveis. I. Castelo

Branco, D. A. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro,

Escola Politécnica, Curso de Engenharia Mecânica. III.

Sistema gerador de energia fotovoltaica com armazenamento

e regularização para o laboratório do PPE/COPPE

iv

“...I saw how beautiful our planet is. People, let us preserve and increase this beauty, not

destroy it!”

Yuri Gagarin - ao retornar do espaço.

v

DEDICATÓRIA

À minha mãe Elisa e ao meu pai Luiz, que me amam e sempre me apoiaram

incondicionalmente.

vi

AGRADECIMENTOS

À minha família, que sempre foi muito presente em minha vida e apoiou tanto

minha educação. Adoro vocês.

À minha companheira e namorada Silvia, que me levou para um mundo novo e

sempre me instigou a melhorar como pessoa. Obrigado pela sua ajuda neste trabalho.

Aos meus amigos Daniel, Luís Fernando, Luis Felipe, Bárbara, Marcel, Igor,

Jairo e Eduardo.

À equipe Minerva Baja UFRJ, que foi minha verdadeira turma no curso de Eng.

Mecânica.

Ao prof. David Castelo Branco, por sua orientação tão cuidadosa, que me

despertou o interesse nessa área do conhecimento tão importante ao futuro da

humanidade.

Ao prof. Reinaldo De Falco, pela orientação no trabalho e pela transmissão de

seus conhecimentos.

Ao Departamento de Engenharia Mecânica da Politécnica e à UFRJ.

vii

Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica / UFRJ como parte

dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.

DIMENSIONAMENTO DE UM SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA

FOTOVOLTAICA COM HIDROACUMULAÇÃO E REGULARIZAÇÃO DE

ENERGIA

Pedro Costa Ormonde

Agosto/2015

Orientador: David Alves Castelo Branco

Co-orientador: Reinaldo de Falco

Curso: Engenharia Mecânica

O presente trabalho introduz os conceitos de integração de fontes intermitentes à rede

elétrica através do armazenamento energético. Descreve-se o projeto de um gerador

solar fotovoltaico com hidroacumulação, que alimentará o laboratório do Programa de

Planejamento Energético (PPE/COPPE). A turbina hidráulica e o reservatório haviam

sido pré definidos, e foi realizado o dimensionamento e seleção dos painéis solares,

conversor CC-CA, bomba hidráulica e tubulação de bombeamento. Verifica-se que o

papel predominante do sistema é a regularização do sinal elétrico, uma vez que o tempo

de descarga do acumulador é curto. Futuramente o acumulador absorverá também

energia eólica e o sistema assumirá então o papel de um controlador de potência de

sistema híbrido de fontes renováveis.

Palavras-chave: Hidroacumulação, Armazenamento energético, Energia solar

fotovoltaica e Fontes renováveis

viii

Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of

the requirements for the degree of Engineer.

PHOTOVOLTAIC GENERATION SYSTEM WITH ENERGY STORAGE AND

REGULATION FOR THE PPE/COPPE LABORATORY

Pedro Costa Ormonde

August/2015

Advisor: David Alves Castelo Branco

Co-advisor: Reinaldo de Falco

Course: Mechanical Engineering

The present work introduces the concept of intermittent resources integration to the

electrical grid using energy storage. It describes the project of a solar photovoltaic

generator with pumped hydro storage, which will provide electricity to the laboratory of

the Energy Planning Engineering – COPPE. The hydraulic turbine and the reservoir

where already chosen, and the selection and design of solar panels, AC-DC converter,

hydraulic pump and piping was done. The system mainly works as an energy

controller/stabilizer due to its short discharging time. In the future, the storage system

will also absorb wind energy, acting as a power controller of a hybrid renewable energy

system.

Key-words: Pumped hydro storage, Energy storage, Solar photovoltaic energy and

Renewable energies

ix

Sumário

1 Introdução ...................................................................................................................... 1

2 Energia Elétrica e Fontes Renováveis ........................................................................... 3

2.1 Fontes de energia na produção de eletricidade ....................................................... 3

2.2 Sistemas Elétricos ................................................................................................... 5

2.3 Energia solar fotovoltaica e sua integração à rede .................................................. 7

3 Armazenamento de Energia ........................................................................................ 10

3.1 Principais aplicações do armazenamento energético ............................................ 10

3.2 Tecnologias de Armazenamento de Energia......................................................... 12

3.2.1 Volante de Inércia .......................................................................................... 12

3.2.2 Acumuladores de Energia Térmica ................................................................ 14

3.2.3 Acumuladores de Ar Comprimido ................................................................. 16

3.2.4 Baterias ........................................................................................................... 17

3.2.5 Supercapacitores ............................................................................................ 18

3.2.6 Hidroacumulação ........................................................................................... 19

4 Projeto do Sistema Fotovoltaico com Hidroacumulação e Regularização .................. 22

4.1 Dimensionamento do sistema hidráulico .............................................................. 23

4.1.1 Turbinas Hidráulicas e suas características .................................................... 24

4.1.2 Dimensionamento da tubulação de bombeamento ......................................... 28

4.1.3 Seleção da bomba hidráulica .......................................................................... 31

4.2 Sistema de Geração ............................................................................................... 34

5 Resultados .................................................................................................................... 36

5.1 Capacidade de armazenamento energético ........................................................... 36

5.2 Tempos de carga e descarga do reservatório ........................................................ 37

5.3 Potências máximas de carga e descarga................................................................ 38

5.4 Eficiência do acumulador/regularizador ............................................................... 38

5.5 Eficiência global do sistema fotovoltaico com acumulação/regularização .......... 39

5.6 Energia média diária útil ....................................................................................... 39

6 Discussão e Conclusão ................................................................................................ 41

7 Bibliografia .................................................................................................................. 45

8 ANEXOS ..................................................................................................................... 50

Anexo I – Informações técnicas da turbina hidráulica ................................................ 50

x

Anexo II – Dados do reservatório de água .................................................................. 58

Anexo III– Curvas características e dados das bombas hidráulicas ........................... 59

Anexo IV – Catálogo dos painéis fotovoltaicos avaliados ......................................... 62

Anexo V – Informações técnicas do inversor CC-CA ................................................ 65

1

1 Introdução

No setor de energia, o uso racional dos recursos energéticos e a capacidade de se

garantir o abastecimento de toda a sociedade é ponto chave no desenvolvimento de

qualquer economia. Muitos países buscam cada vez mais diversificar suas matrizes

energéticas, valendo-se não só de combustíveis fósseis (petróleo, carvão mineral e gás)

como também de outras fontes, tais quais a energia nuclear, hidrelétrica, solar, eólica e

de biomassa.

Dentre as principais motivações para essa diversificação está o desejo de

algumas economias em reduzir sua dependência energética da importação de

combustíveis fósseis, tornando-se menos suscetíveis a oscilações político-econômicas

dos países produtores. Exemplo disso foram os programas brasileiros de incentivo ao

etanol, o Próalcool (Programa Nacional do Álcool), e o Programa Nuclear Brasileiro,

intensificados na década de 1970 [1] e [2].

Mais recentemente, surge a preocupação mundial de reduzir as emissões de

dióxido de carbono (CO2) na atmosfera [3], sendo este um dos gases de efeito estufa.

Por conta disso, cada vez mais as energias renováveis (solar fotovoltaica, heliotérmica,

eólica e de biomassa, por exemplo) vêm sendo exploradas e desenvolvidas na matriz

energética de vários países do mundo [3].

As fontes de energia solar e eólica são intermitentes e estocásticas.

Consequentemente, um sistema elétrico não pode se basear somente nestas fontes,

necessitando estar em conjunto com outros geradores que agem como usinas de base e

semibase1 [4]. Entretanto, uma das maneiras de se minimizar as variações e

imprevisibilidades deste tipo de energia é através do seu armazenamento.

Diferentes processos tecnológicos são capazes de acumular energia para sua

posterior utilização, baseando-se em fenômenos físicos e/ou químicos nos quais é

possível estocá-la e liberá-la quando desejado. Dentre algumas dessas tecnologias estão

as baterias, hidroacumulação, armazenamento térmico, supercapacitores, volantes de

inércia e o armazenamento de ar comprimido [5].

1 Usinas de base operam em regime contínuo, possuem pouca ou nenhuma flexibilidade de operação e

não acompanham a demanda. Usinas de semibase operam acompanhando a curva de demanda e possuem

alguma flexibilidade de operação, complementando a base. Usinas de ponta são muito mais flexíveis e

complementam as duas anteriores, respondendo a variações de demanda rapidamente .

2

O trabalho a seguir apresenta o dimensionamento de um sistema de geração de

energia elétrica para atender à demanda de um laboratório do Programa de

Planejamento Energético da COPPE. O sistema utilizará painéis fotovoltaicos para

extrair energia da irradiação solar, uma fonte renovável. A energia extraída será

armazenada na forma de energia potencial em um hidroacumulador, e então

reconvertida em eletricidade através de uma turbina hidráulica. O principal objetivo do

hidroacumulador é permitir a regularização da energia gerada, melhorando sua

integração à rede elétrica no fornecimento de eletricidade ao laboratório.

O conceito busca a acumulação e reconversão da energia extraída através de

aparatos eletromecânicos, devido à robustez e maturidade tecnológica dos equipamentos

(bomba hidráulica e turbina hidráulica) [6]. Além disso, o sistema será uma planta de

geração em escala reduzida, com propósito de pesquisa e desenvolvimento na área de

integração de diferentes fontes de energias renováveis: energia solar fotovoltaica,

dimensionada neste trabalho, e futuramente a inclusão de energia eólica (não abordada

neste projeto).

O trabalho a seguir organiza-se da seguinte forma.

No capítulo 2, uma breve introdução à geração e transmissão de eletricidade é

apresentada, bem como a participação de fontes renováveis na matriz energética global

com destaque para a energia solar fotovoltaica.

No capítulo 3, diferentes tecnologias de armazenamento energético são

abordadas, situando sua importância para a integração de fontes intermitentes e

estocásticas à rede elétrica.

O capítulo 4 descreve o projeto de geração e acumulação, apresentando a seleção

e dimensionamento dos componentes tais como painéis fotovoltaicos, tubulação e

bomba hidráulica. O reservatório e a turbina hidráulica já foram previamente

selecionados por outros projetistas, e serão tomados como dados para o presente

trabalho.

Por fim, os resultados obtidos são apresentados no Capítulo 5 e uma conclusão a

respeito de todo o sistema dimensionado é realizada no Capítulo 6.

3

2 Energia Elétrica e Fontes Renováveis

2.1 Fontes de energia na produção de eletricidade

Segundo [7], no ano de 2012, 18,1% de toda a energia primária mundial

consumida atendeu à geração de eletricidade, totalizando 22.668 TWh de energia. As

principais fontes primárias consumidas para conversão em energia elétrica são os

combustíveis fósseis, responsáveis por fornecer 68% desse total.

Na Figura 1, apresenta-se a participação de cada fonte primária na matriz elétrica

mundial. Conforme o gráfico deixa claro, as principais fontes de energia são o carvão, o

gás natural e a energia hidráulica, e são denominadas fontes convencionais por

representarem a maior parte do mercado.

Denominam-se fontes renováveis aquelas que não se esgotam devido ao

consumo humano, e seu percentual na matriz elétrica mundial é de 21%, sendo 16% de

origem hidrelétrica, e mais 5% abrangendo fontes de energia ainda consideradas

alternativas, tais como energia heliotérmica, solar fotovoltaica, eólica, de marés e

geotérmica [7]. É importante destacar que fontes renováveis podem ser convencionais

(energia hidráulica, por exemplo) ou alternativas (energia eólica, solar fotovoltaica,

solar térmica, energia de marés, dentre outras).

Figura 1 - Percentual de fontes primárias de energia no consumo de energia elétrica mundial.

Fonte: Adaptado de [7].

Notas: 1) excluindo hidroacumulação. 2) solar, eólica, geotérmica, etc. 3) turfa e “oil shale”

agregados ao carvão.

Participação de Fontes Primárias na Geração de Eletricidade

4

O conceito de fonte alternativa inclui tecnologias que não são competitivas no

mercado, quando comparadas às fontes convencionais já citadas, devido a

características técnicas ou econômicas [8]. Ressalta-se aqui também que fontes

alternativas podem ser renováveis ou não. Algumas das características que tornam

podem caracterizar uma fonte alternativa são citadas a seguir [9].

Custo elevado: Algumas fontes de energia ainda são muito custosas,

exigindo incentivos governamentais para sua utilização, motivados por

outras vantagens que não apenas econômicas (por exemplo, energia de

marés).

Intermitência: Fontes intermitentes oscilam sua geração ao longo do

dia, e não podem assumir o papel de geração de base. Além disso, sua

inserção na rede elétrica é difícil e dependente da existência de energias

firmes, por conta das oscilações que deterioram o sinal elétrico nas linhas

de transmissão (por exemplo, energias eólica e heliotérmica).

Imprevisibilidade: Fontes de energia fortemente dependentes de fatores

climáticos são intrinsecamente estocásticas, e não há maneiras de

determinar a produção de energia futura. O que se faz é um levantamento

de dados do passado, permitindo avaliações estatísticas e projeções

futuras, havendo sempre incertezas associadas a tais previsões (por

exemplo, energia das ondas, eólica e solar fotovoltaica).

Perecibilidade: Algumas fontes primárias renováveis podem ser

estocadas para atender a demandas futuras ou prever períodos de

escassez, como por exemplo energia hídrica e de biocombustíveis.

Todavia, há fontes primárias impossíveis de serem acumuladas, tais

como a energia eólica e solar2.

Ainda que as fontes renováveis alternativas possuam pequena participação na

matriz mundial energética, esforços vêm sendo feitos para mudar esse quadro, como

incentivos fiscais por parte de governos e investimentos em pesquisa e desenvolvimento

realizados por universidades e centros de pesquisa. Há portanto interesse por parte de

vários setores da sociedade para que a matriz energética se modifique e cresça a

importância destas tecnologias no mercado de energia elétrica [10].

2 É importante distinguir-se aqui o armazenamento de energias primárias com o armazenamento

de energia elétrica, que é secundária.

5

Em relação à energia solar fotovoltaica (tecnologia utilizada no projeto aqui

apresentado) uma expansão bastante acelerada vem ocorrendo no setor. Nos últimos

onze anos, o crescimento anual médio da indústria de células e módulos foi de 54,2%

[11] e até 2014 a potência instalada mundial já acumulava 180 GW [12]. O maior

mercado gerador de energia fotovoltaica é a Europa, concentrando 74% da capacidade

mundial, enquanto o maior mercado produtor de células e módulos é a China, que

deteve 64% da produção global em 2012.

O porte das instalações vem crescendo também, com algumas chegando a

produzir mais de 500 MW, como por exemplo a usina “Solar Star” na Califórna, EUA.

Todavia, para que esse modelo de negócios seja viável ainda se fazem necessárias

políticas de incentivo e ajustes no modelo tarifário para estimular usinas geradoras de

maior capacidade [10]. Por exemplo nos Estados Unidos, o Departamento de Energia

declarou que o preço da energia solar fotovoltaica caiu de $0,21/kWh em 2010 para

apenas $0,11/kWh em 2014, enquanto a tarifa média do país foi de $0,12/kWh3 [13].

2.2 Sistemas Elétricos

Uma grande parcela dos consumidores finais de eletricidade (centros urbanos e

industriais) se encontra afastada das usinas geradoras, sendo necessário transportar a

energia através de fios condutores metálicos, que constituem redes de transmissão e

distribuição [14]. As linhas de transmissão se conectam diretamente com as usinas e seu

principal papel é levar a energia elétrica produzida até as distribuidoras (localizadas em

regiões mais próximas dos grandes centros urbanos) ou então fornecer energia para

grandes consumidores como fábricas e mineradoras.

As subestações de transmissão recebem energia da usina elétrica e elevam a

tensão para algumas centenas de milhares de Volts4, permitindo que se reduzam as

perdas inerentes ao transporte de energia ao longo de toda a extensão dos cabos. Ao

entregar a energia para as distribuidoras, a tensão é gradualmente reduzida até chegar a

valores mais baixos e seguros para os consumidores finais de pequeno porte, tais como

residências e estabelecimentos comerciais [15].

3 Preço da tarifa desconsiderando subsídios e incentivos governamentais. O objetivo americano é alcançar

a tarifa média de $0,06/kWh até o fim da década. 4 No Brasil, um código representa as classes de tensão das linhas, sendo elas A1 (tensão maior ou igual a

230 kV), A2 (de 88 a 138 kV) e A3 (69 kV) [15].

6

No Brasil, desde a década de 1970 o sistema elétrico é operado de forma

coordenada, interligando várias usinas visando ganhos através da sinergia entre estes

vários agentes5 [18]. O Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS), criado em 1998,

é desde então o órgão responsável por coordenar e controlar as instalações de geração e

transmissão brasileiras e “desenvolve uma série de estudos e ações a serem exercidas

sobre o sistema e seus agentes para manejar o estoque de energia de forma a garantir a

segurança do suprimento contínuo em todo o País.” segundo [17].

Ao se integrar diferentes fontes de energia num mesmo sistema elétrico, é

preciso que seja garantida a qualidade do sinal nas linhas, já que pequenas oscilações na

onda eletromagnética causam problemas na rede. Quando uma fonte de energia é

intermitente, seu sinal de saída é intrinsecamente transiente e essas perturbações

precisam ser controladas para não prejudicar a rede de transmissão/distribuição [19].

Uma das formas de se regularizar o sinal de fontes intermitentes é através do

armazenamento energético. A energia primária intermitente pode ser armazenada para

depois ser despachada como energia elétrica na rede, sob condições controladas,

garantindo maior qualidade e confiabilidade. Com isso, aumenta sua importância e valor

monetário no mercado de energia facilitando a operação do sistema de transmissão e

distribuição.

Além dos grandes sistemas de geração e transmissão acima abordados, existem

também demandas de regiões geograficamente afastadas ou remotas, de difícil

acessibilidade em que a rede elétrica não está integrada, estando portando isoladas.

Sistemas elétricos isolados são aqueles em que a rede de distribuição não está

conectada para prover energia e, assim, geram a própria eletricidade que consomem.

Costumam ser caracterizados por uma ou poucas fontes energéticas com sua própria

distribuição atendendo apenas às suas demandas. Tipicamente, esses sistemas são

utilizados para sustentar pequenas comunidades localizadas em áreas remotas e

distantes [3].

Sistemas isolados não necessariamente possuem capacidade de se autossustentar.

Caso sejam dependentes de combustíveis fósseis vindos através de transporte rodoviário

ou marítimo, por exemplo, necessitam do comércio com regiões mais desenvolvidas a

5 O Sistema Elétrico Brasileiro possui dimensões continentais, com 4151 empreendimentos de geração,

totalizando cerca de 137,8 GW de potência, dos quais 96,6 % são controlados pelo ONS [16] e [17].

7

fim de atender à sua própria demanda. Podem ser também autossuficientes, abastecidos

por fontes renováveis não estocáveis como as energias eólica e/ou solar fotovoltaica, o

que cria a necessidade de sistemas de armazenamento de energia.

2.3 Energia solar fotovoltaica e sua integração à rede

A energia solar fotovoltaica é obtida pela conversão direta de energia da

radiação luminosa em eletricidade, através de uma célula fotovoltaica. Células

fotovoltaicas possuem um substrato semicondutor dopado com elementos químicos,

formando a junção pn que permite o acúmulo de cargas positivas (p) e negativas (n)

separadas por uma banda de energia proibida, ou gap. Esse efeito cria um campo

elétrico que armazena energia. Quando um fóton incide sobre o material com

determinada energia os elétrons vencem esse gap, ocorrendo a circulação de tais

elétrons, gerando assim uma corrente elétrica contínua [11].

As tecnologias de células fotovoltaicas pode ser dividida em três gerações.

A primeira geração inclui células de silício monocristalino (mono-Si) e silício

policristalino (poli-Si). Trata-se da tecnologia mais difundida comercialmente devido à

sua maior maturidade tecnológica em relação às demais. Atualmente possuem a melhor

relação entre preço e eficiência disponível no mercado, além de garantia de 25 anos

oferecida pelos principais fabricantes. Por conta disso, esta tecnologia domina 85% do

mercado de células fotovoltaicas [11].

A segunda geração é comercialmente denominada de células de filmes finos,

abrangendo as células de silício amorfo, disseleneto de cobre índio gálio (CIGS) e

também o telureto de cádmio (CdTe). A tecnologia de silício amorfo utiliza menos

silício por kW gerado e permite a deposição do filme sobre qualquer substrato,

permitindo produção em maior escala a menores custos. Todavia, possui eficiências

muito menores que as células de mono-Si e poli-Si, além de menor durabilidade [11].

A terceira geração ainda se encontra em fase de pesquisa e desenvolvimento, ou

produção em pequena escala e pode ser dividida em três cadeias produtivas.

célula para concentração (CPV – Concenrated Photovoltaics) e células

multijunção;

células orgânicas, ou poliméricas;

células sensibilizadas por corante (DSSC – Dye-Sensitized Solar Cell)

8

Cada uma destas tecnologias de terceira geração possuem características

próprias que as diferenciam das demais; entretanto, seu uso em escala comercial ainda

depende de avanços na ciência dos materiais nelas empregados [11].

As células fotovoltaicas que serão avaliadas no presente trabalho são de primeira

geração, uma vez que possuem o melhor rendimento dentre as tecnologias disponíveis

no mercado.

Segundo [11], “Um gerador fotovoltaico tem suas características elétricas

dependentes basicamente da irradiância e da temperatura dos módulos. A influência da

irradiância é muito mais significativa do que a temperatura.”

Na Figura 2 são apresentadas as curvas típicas de corrente e de potência de uma

célula de silício cristalino, em relação à tensão da célula. A corrente é máxima em

curto-circuito (V = 0) e mínima para o circuito aberto (V = Vmáx), e existe um par de

valores de tensão e de corrente em que a célula deverá operar para que sua potência seja

máxima. Normalmente, a potência nominal de uma célula descrita pelos fabricantes

refere-se a esse ponto de máxima potência, considerando uma condição de radiação de

1000 W/m². Naturalmente, os sistemas fotovoltaicos trabalham em geral abaixo desse

ponto de máxima potência de acordo com a radiação incidente sobre a célula [20]. A

Figura 3 apresenta a variação da curva Corrente-Tensão de acordo com a radiação

incidente.

Figura 2 – Comportamento típico das curvas de corrente e de potência de uma célula de Silício

cristalino.


Nota: Vca = Tensão de circuito aberto.

Icc = Corrente de curto-circuito.

9

Pmax = Potência máxima.

Vmax = Tensão em potência máxima.

Imax = Corrente em potência máxima.

Figura 3 – Variação do comportamento da curva Corrente-Tensão de uma célula de Silício de

acordo com a radiação incidente.


Conforme pode-se verificar pelo gráfico da Figura 3, conforme a radiação solar

incidente nas células de um painel solar varia, a tensão e corrente gerados variam

também. Quando o sistema fotovoltaico está instalado de forma integrada à rede, se faz

necessária a regularização da energia produzida para que essas oscilações não

prejudiquem a qualidade do sinal senoidal da rede elétrica.

A qualidade da energia elétrica é geralmente descrita em termos de tensão,

frequência e interrupções, e deve obedecer a requisitos estipulados por padrões

nacionais ou internacionais de forma a manter toda a rede de transmissão e distribuição

estável, em faixas de operação predeterminadas [22] e [23].

As variações de tensão, por exemplo, são causadas principalmente por variações

nas cargas ou na produção [22]. Em painéis fotovoltaicos essas variações na produção

podem ser causadas por vários fatores, tais como o sombreamento parcial ou total das

células, variações de radiação incidente e variações de temperatura de operação do

equipamento [11].

Uma maneira de se contornar o problema da qualidade do sinal gerado por

sistemas fotovoltaicos é através da utilização de um acumulador de energia.

Acumuladores são tecnologias que absorvem energia para liberá-la de maneira

controlada, de acordo com a necessidade e permitem uma melhor integração do sistema

de geração à rede elétrica, além de outras aplicações que serão descritas à frente.

10

No capítulo a seguir, são apresentadas as principais tecnologias de

armazenamento existentes, suas características e principais aplicações, inclusive na

integração de diferentes fontes de energia às redes de transmissão e distribuição.

3 Armazenamento de Energia

3.1 Principais aplicações do armazenamento energético

O armazenamento de energia pode ser utilizado de diferentes formas, sempre

com o intuito de aprimorar o uso racional da energia elétrica, em que diferentes

demandas serão atendidas. Enquanto os sistemas de transmissão e distribuição

transportam a energia no espaço até o consumidor final, sistemas de acumulação

transportam energia através do tempo, até o momento em que haja demanda [19].

Tais demandas podem ser divididas em curto prazo (segundos a minutos),

médio prazo (alguns minutos a poucas horas) e longo prazo (horas, dias ou meses);

podem também ser avaliadas de acordo com o tipo de despacho de eletricidade

necessário: potências elevadas, ou potências mais baixas, com o equipamento

trabalhando em sua potência nominal por muito tempo. Algumas das aplicações do

armazenamento de energia são listadas abaixo [3].

Regularização de frequência: A frequência da rede sofre constantes flutuações devido

à entrada e saída de diferentes produtores de energia e também às variações de

demanda. Por isso, essa frequência deve ser controlada mantendo boa a qualidade do

sinal na transmissão. Normalmente, esses ajustes são feitos a cada poucos minutos por

sistemas automatizados.

Arbitrage / Storage trades: Armazenar energia com tarifa barata em horários de baixa

demanda permite que tal energia seja vendida no futuro em horários de pico a preços

mais elevados. Tanto geradores de energia quanto distribuidoras podem assumir este

papel de acordo com o mercado.

Acompanhamento de Demanda: Oscilações no consumo e geração de energia elétrica

necessitam ser gerenciados em intervalos de tempo da ordem de 15 minutos a 24 horas.

Essa regularização pode ser feita automaticamente por algum sistema ou mesmo

manualmente de acordo com a infraestrutura do operador da rede de distribuição.

11

Armazenamento Sazonal: Energia armazenada por dias, semanas ou meses permite a

compensação de eventuais avarias no sistema ou variações sazonais na geração (por

exemplo bombeamento de água em usinas hidrelétricas para uso em períodos de

estiagem ou tecnologias de armazenamento de calor para uso no inverno em regiões

frias).

Suporte de Tensão: O controle da tensão na rede pode ser feito injetando ou

absorvendo potência reativa na rede (por exemplo, através de capacitores).

Black Start: Quando há queda de energia em usinas geradoras, a energia armazenada

pode ser utilizada para religar uma planta sem a necessidade de se utilizar geradores

diesel ou mesmo energia da rede elétrica.

Alteração do horário e valor de pico: Acumuladores podem demandar energia da rede

em horários fora de pico mudando a curva de demanda. Consequentemente o valor

máximo de energia demandada ao longo do dia é reduzido. Um exemplo é o

armazenamento de calor por algumas horas para aquecimento de água e ar em regiões

frias.

Sistemas Isolados: Sistemas isolados geralmente se baseiam em combustíveis fósseis

(por exemplo, diesel) ou fontes renováveis para gerar eletricidade e calor. O

armazenamento de energia permite uma maior confiabilidade do sistema, tornando-o

menos sujeito a problemas de abastecimento de combustível ou de intermitência das

fontes renováveis.

Integração de fontes diversas: Fontes de natureza estocástica (por exemplo, solar e

eólica) oscilam naturalmente e quando estão integradas a outras plantas de geração (por

exemplo, termoelétricas, hidroelétricas e nucleares) dificultam o papel dos operadores

de rede por conta de suas variações frequentes. A acumulação de energia permite um

melhor aproveitamento dessas fontes energéticas uma vez que simplifica o controle da

rede e consegue otimizar o uso de fontes renováveis no sistema.

Utilização de calor desprezado: O reaproveitamento de calor desprezado pode ser

armazenado para ser então reutilizado em outros processos industriais ou em instalações

prediais tais como aquecimento de água ou de ambientes internos.

12

3.2 Tecnologias de Armazenamento de Energia

Cada tecnologia de armazenamento possui suas próprias características e

especificidades. A aplicabilidade de cada uma delas varia justamente de acordo com

estas propriedades. Alguns dos principais parâmetros técnicos6 relevantes para a

seleção do sistema de acumulação adequado são os seguintes [9] e [5].

Capacidade de energia armazenada: Quantidade total de energia que o

acumulador consegue armazenar a cada ciclo.

Potências de carga e descarga: Valores de potência máxima atingida

quando o acumulador está sendo carregado e descarregado.

Eficiência de conversão: As perdas associadas à conversão de energia

durante o carregamento e descarga do acumulador determinam sua

eficiência de conversão.

Dissipação da energia acumulada no tempo: Algumas tecnologias de

acumulação podem dissipar a energia contida no acumulador, o que

influencia na escolha da tecnologia para cada aplicação.

3.2.1 Volante de Inércia

Um volante de inércia é uma estrutura rotativa ligada a um eixo, que armazena

energia cinética. Para seu uso como acumulador de energia elétrica, o volante de inércia

deve estar acoplado a um moto-gerador para conversão de energia mecânica em energia

elétrica [9]. A quantidade de energia armazenada em um corpo girando em torno de um

eixo inercial, com uma dada distribuição de massa 𝜌(𝓍) e velocidade angular ω é

𝑊𝑐𝑖𝑛é𝑡𝑖𝑐𝑎 =1

2𝐼ω 2 (1)

Sendo o seu momento de inércia

𝐼 = ∫𝜌(𝓍) 𝑟2𝑑𝑥 (2)

Considerando as equações acima, quanto maior a velocidade de rotação e mais

afastada a massa estiver do centro de rotação, maior será a energia armazenada.

Entretanto, o elemento-chave nos volantes de inércia é que se alcance a maior densidade

6 Parâmetros econômicos também devem ser levados em conta, todavia não fazem parte do escopo desta

publicação.

13

de energia por unidade de massa possível, dada a resistência do material que compõe a

massa girante [9].

Em busca de uma boa densidade mássica de energia, materiais com elevada

resistência e baixa densidade são aplicados na construção dos rotores de volantes de

inércia, conforme apresentado na Tabela 1. Volantes produzidos em compósito de fibras

Kevlar em matriz polimérica alcançam densidades energéticas de 100 a 140 Wh/kg e

podem ser utilizados em sistemas veiculares, por exemplo, em que o peso do conjunto

deve ser baixo [24].

Tipicamente volantes de inércia armazenam de 3,3 a 25 kWh, com potências

variando de 25 a 250 kW [25] e [5]. Uma característica interessante é a possibilidade de

expansão do sistema de acumulação através de vários volantes de inércia trabalhando

em paralelo. Há instalações de grande porte funcionando com até 40 equipamentos de

25kW e 25kWh cada, que conseguem juntos gerar até 1MW potência [5]. Além disso, a

vida útil do equipamento é elevada, variando de 105 a 107 ciclos de carga e descarga.

Tabela 1 - Propriedades de materiais empregados em volantes de inércia.

Material Densidade [𝒌𝒈/ 𝒎𝟑] Limite de escoamento [MPa]

Liga de alumínio 2700 500

Aço maraging 8000 2700

Fibra de carbono 1550 1500

Fibra de vidro 1900 1750

Fibra de Kevlar 1400 1800


Apesar dos recentes desenvolvimentos na diminuição de perdas por atrito,

segundo [5], “as perdas por atrito em um volante de inércia de 200 toneladas são

estimadas em torno de 200kW”. Por conta disso, volantes de inércia para acumulação de

energia elétrica possuem tempo de armazenamento típicos de algumas horas apenas,

dado que sua eficiência instantânea alcança valores de 90 a 95% [25], caindo para

médias de 78% após 5 horas e 45% após um dia inteiro [5].

Devido ao seu baixo rendimento após algumas horas, sua principal aplicação é a

regularização de tensão e frequência do sinal elétrico. Alguns usos típicos se dão em

redes de distribuição (onde aproveita-se sua alta potência por curtos intervalos de

tempo) [26], regularização de energia gerada por fazendas eólicas em redes elétricas de

14

pequeno porte, e instalações sensíveis tais como centrais de telecomunicações e

servidores de computadores [25].

3.2.2 Acumuladores de Energia Térmica

O armazenamento de energia térmica é a utilização de massas quentes ou frias

mantidas em compartimentos isolados termicamente. Calor/frio podem ser então

diretamente utilizados para aplicações de aquecimento/resfriamento ou convertidos em

energia elétrica via máquinas térmicas.

Acumuladores térmicos podem ser classificados entre acumuladores de baixas e

de altas temperaturas; mais precisamente chamados de refrigeração industrial (abaixo de

-18ºC), refrigeração residencial (0 a 12ºC), aquecimento residencial (25 a 50ºC) e

armazenamento de calor industrial (acima de 175ºC) [25].

Os dois processos físicos por trás dessas tecnologias são a troca de calor sensível

ou calor latente, conforme apresentado a seguir.

Acumuladores de Calor Sensível

Nesta tecnologia de armazenamento, o fenômeno físico é basicamente a

mudança de temperatura de uma massa sem que haja mudança de sua fase. A

quantidade de energia E absorvida por um corpo é dada por:

E = m ∫ CpdT

T1

T0

(5)

Onde:

m = massa do corpo;

Cp = calor específico a pressão constante;

T0, T1 = temperaturas inicial e final, respectivamente.

Este tipo de acumulador é muito utilizado em domicílios através do aquecimento

de água. Um trocador de calor aquece um volume de água (tipicamente 0,1 m³)

mantendo-a em um compartimento metálico isolado termicamente, até que ela seja

utilizada para consumo.

Essa tecnologia permite a países como França e Estados Unidos reduzirem seu

pico de demanda energética, uma vez que o aquecimento ocorre antes do horário de

pico, armazenando-se água quente para uso posterior. Na França, por exemplo, esta

15

tecnologia permite uma redução anual de 5% no pico de demanda conforme os gráficos

da Figura 4 [3].

Figura 4 – Influência do armazenamento de água quente na curva de demanda elétrica da França.


Há também a aplicação de acumuladores de calor sensível em usinas de Energia

Solar Térmica, que geram energia através da concentração de radiação direta em um

sistema trocador de calor, chamadas usinas CSP – Concentrated Solar Power. Através

da concentração por espelhos, esse sistema aquece um fluido que pode ser composto,

por exemplo, por um sal fundido com suas temperaturas variando entre 260ºC e 600ºC

de acordo com o projeto da usina.

Pode-se armazenar esse sal fundido termicamente isolado para que a usina

continue gerando energia elétrica mesmo algumas horas após a incidência de radiação

nos espelhos. Dessa forma, o armazenamento energético também beneficia o sistema

elétrico suprindo uma parte da demanda no horário de pico [27].

Acumuladores de Calor Latente

Acumuladores térmicos baseados na transição entre as fases líquida e sólida de

um material funcionam a temperatura constante. Durante o acúmulo de energia, o

material muda do estado sólido para líquido, enquanto em sua descarga volta ao estado

sólido trocando calor com um fluido de trabalho. Segundo [14], parafinas orgânicas e

sais inorgânicos são dois tipos de substâncias utilizadas absorvendo e rejeitando calor

latente.

As vantagens apresentadas nessa tecnologia são a alta densidade volumétrica de

energia presente na substância e também uma troca térmica eficiente nos trocadores de

calor devido à invariabilidade da temperatura, o que permite sua aplicação no transporte

16

de cargas sensíveis e também no controle térmico de processos industriais, reduzindo o

consumo de energia para a manutenção das temperaturas.

3.2.3 Acumuladores de Ar Comprimido

O armazenamento de energia sob a forma de ar comprimido é realizado através

da sua compressão e estocagem em um reservatório. Esse ar comprimido pode então ser

utilizado num ciclo de geração por turbina a gás, aumentando assim o trabalho útil

gerado pela turbina, uma vez que grande parte da energia gerada seria utilizada para a

compressão do ar. O conceito desta tecnologia baseia-se no aumento da eficiência do

ciclo de potência durante horários de pico, com reabastecimento dos reservatórios em

períodos de baixo consumo com tarifas de energia elétrica mais barata.

A principal característica desta tecnologia é a capacidade de armazenar grandes

quantidades de energia (de 50 a 300 MWh) por longos períodos de tempo (até mais de

uma ano) sem perdas significativas de eficiência [26]. A eficiência estimada é em torno

de 70% para reservatórios subterrâneos deste porte [5].

Através de compressores, ar é injetado em um reservatório, onde fica estocado.

Após sua compressão o gás é resfriado permitindo o controle da temperatura e pressão

no reservatório. Durante a descarga do acumulador, o ar é reaquecido e misturado ao

combustível para ser levado à câmara de combustão da turbina, onde é gerada a energia

elétrica que segue para a rede de transmissão.

Formações geológicas no subsolo como cavernas rochosas ou de depósitos de

sais e regiões de aquíferos onde o solo poroso se mantém seco são os principais tipos de

reservatórios utilizados. No caso de cavernas, podem ser de origem natural ou escavadas

para tal propósito [5].

O uso de vasos de pressão como reservatórios permitiria maior flexibilidade de

instalação para este tipo de tecnologia, além de possibilitar o uso de fontes de energia

intermitentes tais como eólica, conforme ilustração da Figura 5. Entretanto o conceito

ainda não se mostrou viável economicamente segundo estudos de [28], uma vez que a

diferença entre tarifas de ponta e fora de ponta não são suficientemente grandes para dar

retorno financeiro a todo o investimento e custos operacionais do acumulador.

17

Figura 5 – Representação de sistema de armazenamento de ar comprimido.


3.2.4 Baterias

Baterias utilizadas para armazenamento são sistemas eletroquímicos de acúmulo

de energia com a capacidade de carga, acumulação e descarga7. Elas convertem energia

elétrica em energia química e vice-versa, através de reações eletroquímicas que

permitem o transporte dessa energia entre estes dois estados.

As três principais tecnologias amplamente utilizadas atualmente são as baterias

chumbo-ácido8, baterias de níquel (por exemplo NiCd, NiMH) e baterias de íon-Lítio

[26]. Uma importante aplicação de baterias que vem crescendo é o armazenamento de

energia para veículos puramente elétricos (Nissan Leaf e Tesla Roadster) ou híbridos

(que possuem motor a combustão interna e também motor elétrico) devido aos avanços

de redução de peso obtidos pelas baterias íon-Lítio, em relação às baterias de chumbo-

ácido [24].

Cada tipo de bateria possui diferentes propriedades de densidade energética,

densidade de potência, capacidade e tempo de recarga e vida útil. Além disso, estas

características são conflitantes uma vez que a melhoria de alguns aspectos acarreta no

detrimento de outros, de forma que cada tecnologia possui sua aplicabilidade e

limitações específicas. Abaixo, vemos um quadro comparativo entre algumas das

tecnologias já citadas.

7 Trata-se aqui apenas de baterias recarregáveis, excluindo-se, portanto, pilhas e baterias que possuem

apenas um ciclo de descarga e depois devem ser descartadas. 8 Baterias de chumbo-ácido são as mais antigas em utilização, e possuem um catodo constituído por

dióxido de chumbo, anodo de chumbo e ácido sulfúrico atuando no papel de eletrólito.

18

Tabela 2 – Tabela comparativa entre classes de baterias.

Chumbo-ácido Níquel Íon-Lítio

Densidade de Energia

[Wh/kg] 20 – 100 40 – 80 90 – 200

Densidade de Potência

[W/kg] 50 – 400 80 – 350 500 – 2000

Eficiência de

conversão 85– 90% 65 – 80% ~90%

Número de ciclos 500 – 2000 600 – 3000 800 – 3000

Perdas dissipativas ~2% por mês ~10% por mês ~5% por mês

Fonte: Dados de [24] e [26].

3.2.5 Supercapacitores

Supercapacitores atuam através do mesmo princípio de funcionamento de

capacitores, apenas aprimorados quanto a sua elevada área capacitiva ocupando um

volume muito menor do que aquele ocupado por um capacitor convencional. Assim

como os capacitores, os supercapacitores possuem dois polos condutores eletricamente

isolados um do outro por um dielétrico. Quando um dos polos é carregado com uma

fonte de corrente contínua, é induzido no outro polo uma carga estática de sinal oposto,

armazenando energia potencial elétrica no dispositivo (Figura 6).

Figura 6 – Esquema representativo do funcionamento de um capacitor.


Uma de suas características é a alta potência de despacho de energia e também

grande velocidade de recarga, já que os fenômenos de acumulação e descarga não

dependem de reações químicas (caso das baterias), apenas do acúmulo de cargas

estáticas nos eletrodos. Por conta disso também, o processo de descarga é altamente

reversível, com eficiências elevadas variando de 85% a 98% e sua vida útil chegando a

500.000 ciclos [26].

Enquanto capacitores conseguem alcançar densidades de energia de até 5

Wh/kg, os supercapacitores já atingem marcas de 60 Wh/kg e altas densidades de

19

potência de até 100 kW/kg; todavia sua taxa de auto descarga é bem superior à das

baterias, dissipando cerca de 5% da energia armazenada ao dia [5]. Considerando sua

alta potência de despacho e altas perdas dissipativas, as principais aplicações dos

supercapacitores são a regularização de tensão em sistemas elétricos [25], prover carga

extra à rede em picos súbitos de demanda e também para sistemas veiculares de

recuperação de energia de frenagem [26].

3.2.6 Hidroacumulação

A hidroacumulação é uma tecnologia de armazenamento sob a forma de energia

potencial gravitacional. Água é bombeada de um determinado reservatório a outro mais

elevado ganhando assim energia que pode ser convertida em energia elétrica através de

uma turbina hidráulica. Naturalmente, a quantidade de energia e potência acumulados

dependem do volume d’água e da diferença entre as alturas dos reservatórios. As

principais características desta tecnologia são a vida útil muito longa, confiabilidade do

ciclo de carga/descarga e custo mais baixo em relação à grande maioria das tecnologias

restantes.

A hidroacumulação é considerada uma tecnologia de armazenamento madura e

bem estabelecida, e até o ano de 2011 representava 99% de todo o armazenamento

energético mundial, com um total de 120 GW de potência instalada. Considerando

perdas por evaporação e dissipações de energia durante a conversão, sua eficiência

situa-se numa faixa de 70% a 85% [31]. As instalações de hidroacumulação tipicamente

possuem potência entre 100 MW e 3000MW, sendo principalmente utilizadas para

controle de frequência do sinal da rede, armazenamento sazonal e storage trade entre

variações tarifárias [25].

O hidroacumulador projetado neste trabalho é muito menor, em escala, do que

os hidroacumuladores comerciais existentes, uma vez que atenderá apenas a uma

pequena demanda. Por conta disso, sua capacidade de armazenamento e potência são

inferiores, conforme pode ser verificado no Capítulo 5 onde são apresentados os

resultados do projeto.

20

Dentre as diversas tecnologias de armazenamento de energia elétrica abordadas9

apresenta-se abaixo um quadro comparativo, consolidando as principais características

de cada uma destas alternativas de acumulação.

9 Acumuladores de Energia Térmica não são incluídos no quadro, uma vez que, com excessão das usinas

CSP, suas aplicações típicas não envolvem reconversão da energia térmica em eletricidade novamente.

Ainda assim possuem papel importante na rede elétrica, através da alteração do horário de pico, conforme

o exemplo francês, apresentado na Figura 4.

21

Tabela 3 – Quadro comparativo entre as diferentes tecnologias de armazenamento. Valores e informações considerando instalações típicas.

Fonte: Dados e informações de [3], [5], [9], [14], [24], [25], [26] e [31].

Notas: 1) Principais dissipações e irreversibilidades ocorrem no processo de conversão. 2) Valores de densidade de energia não possuem significado prático, portanto aqui é fornecida

uma faixa típica da capacidade das instalações existentes. 3) O fluxo de ar liberado na descarga do acumulador deve atender à demanda do sistema térmico de potência, de acordo com

o consumo de combustível da turbina. 4) KERS: Kinematic Energy Recovery System. Para maiores informações, consultar [24].

Tecnologia 𝜼𝒄𝒐𝒏𝒗𝒆𝒓𝒔ã𝒐 Dissipação

(em 24h)

Energia/Densidade

de Energia Potência Principais aplicações Observações

Volante de Inércia 85% 45% 100 – 140 Wh/kg 25 – 250kW Regulador de tensão e frequência

Altas perdas dissipativas

restringem seu uso apenas

ao curto prazo.

Sistema paralelizável e

capacidade flexível

Ar comprimido 70% desprezível1 50 - 300 MWh2 De acordo com a

usina térmica3

Armazenamento sazonal, storage

trade

Acoplado a ciclos térmicos

Brayton, aumentando sua

eficiência em regime

permanente.

Baterias 65 - 90% 0,07 – 0,35% 20 – 200 Wh/kg 50 – 2000 W/kg Amplo uso em aplicações móveis

(eletrônicos e veículos)

Alta densidade energética e

de potência, entretanto custo

é muito elevado para larga

escala

Supercapacitor 85 -98% 5% 5 – 60 Wh/kg Até 10 kW/kg

Regulador de tensão, resposta a

picos de demanda e KERS4 veiculares

Alta densidade energética e

de potência.

Hidroacumulador 70 - 85% Desprezíveis 10 – 100 GWh2 100 - 3000 MW

Armazenamento sazonal, storage

trade e regularização de

frequência

Representa 99% do

armazenamento energético

mundial

22

4 Projeto do Sistema Fotovoltaico com Hidroacumulação e

Regularização

O Projeto, representado na Figura 7, envolve um sistema de geração de energia

solar fotovoltaica, que alimentará uma bomba hidráulica. A bomba eleva água até um

reservatório, que armazena energia potencial gravitacional que será utilizada para girar

uma turbina hidráulica de pequeno porte. A turbina conecta-se a um gerador,

despachando eletricidade para o consumo final do laboratório.

O hidroacumulador/regularizador projetado tem por objetivo principal a

estabilização da energia elétrica fornecida ao laboratório, além de uma pequena

autonomia do sistema pelo volume d’água armazenado. O conceito é que seja

controlada a intermitência da energia solar fotovoltaica através de um regulador

eletromecânico, para fins de pesquisa do Programa de Planejamento Energético

(PPE/COPPE).

Além disso, futuramente o sistema receberá mais uma fonte de energia

renovável, a energia eólica, que será responsável por alimentar outra bomba hidráulica,

funcionando em uma outra tubulação.

Com a inserção de mais uma fonte, o sistema passa a ser híbrido (fotovoltaico +

eólico), com duas fontes distintas de energia para um mesmo consumo. Pequenos

sistemas híbridos que utilizam controladores eletrônicos de potência possuem a

desvantagem de não conseguir aproveitar os recursos solar e eólico simultaneamente.

Normalmente, os controladores eletrônicos comerciais10 para uso residencial descartam

a fonte que esteja gerando menos energia em um dado momento.

Neste sistema, entretanto, o hidroacumulador passará a fazer o papel também de

um controlador garantindo a regularização da energia útil final com a vantagem de

absorver simultaneamente a energia de ambas as fontes sem precisarem ser feitas

modificações no funcionamento da turbina hidráulica.

10 Por exemplo, os controladores Phocos CML 10A [32] e Outback Flexmax 60 [33], utilizados em

sistemas híbridos comerciais de baixa potência no Brasil.

23

Figura 7 – Esquema de funcionamento do sistema fotovoltaico com hidroacumulação e regularização (fora de

escala).

Fonte: Elaborada pelo autor.

4.1 Dimensionamento do sistema hidráulico

Sendo a energia potencial gravitacional (𝑈) de uma massa suspensa dada por:

𝑈 = 𝑚 ∙ 𝑔 ∙ 𝐻 (6)

Onde:

𝑚 = massa;

𝑔 = aceleração da gravidade;

𝐻 = altura do centro de massa em relação ao referencial.

Calcula-se a energia total que um reservatório de água pode acumular (𝑈𝑟𝑒𝑠) pelo seu

volume total e a altura do centro de massa do corpo d’água nele contido:

𝑈𝑟𝑒𝑠 = 𝜌 ∙ 𝑉𝑟𝑒𝑠 ∙ 𝑔 ∙ 𝐻 (7)

Onde:

𝜌 = massa específica do fluido;

𝑉𝑟𝑒𝑠 = volume do reservatório;


𝐻 = altura do centro de massa em relação ao referencial.

Da equação de Bernoulli avaliada para os pontos de entrada e saída da turbina

(ou para os dois reservatórios desconsiderando perdas de carga), temos

𝐻𝑡 = (𝑝

𝜌𝑔+𝑉2

2𝑔+ 𝑧)

𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎

− (𝑝

𝜌𝑔+𝑉2

2𝑔+ 𝑧)

𝑠𝑎í𝑑𝑎

(8)

24

Onde:

𝐻𝑡 = altura manométrica ou head;

𝑝 = pressão;

𝜌 = massa específica;


�� = velocidade média do escoamento;

𝑧 = altura vertical de um ponto.

Sendo finalmente a potência hidráulica teórica (𝑊ℎ) definida por:

��ℎ = 𝜌 ∙ 𝑄 ∙ 𝑔 ∙ 𝐻𝑡 (9)

Onde:

��ℎ = potência hidráulica;

𝜌 = massa específica;

𝑄 = vazão;


𝐻𝑡 = altura manométrica ou head.

Os dois parâmetros chave em um sistema de hidroacumulação são a energia total

armazenável (𝑈𝑟𝑒𝑠) e sua potência hidráulica (��ℎ).

4.1.1 Turbinas Hidráulicas e suas características

Turbinas hidráulicas são máquinas que extraem energia da água, que é

denominada fluido de trabalho, e os dois principais tipos são as turbinas de impulso e de

reação.

Turbinas de impulso são acionadas por um ou mais jatos livres, com alta

velocidade, e seu funcionamento baseia-se na conversão de energia de pressão do fluido

na entrada do bocal em energia cinética do jato livre, à pressão atmosférica. Um bocal

externo à roda acelera o fluido, formando um jato direcionado à roda, fazendo-a girar e

portanto o rotor não está imerso no fluido de trabalho [34]. Um exemplo de turbina de

impulso é a Roda Pelton, apresentada na Figura 8.

A grande maioria das turbinas de impulso são modelos modificados a partir da

Roda Pelton, e se aplicam principalmente em instalações com alto head e baixa vazão

[34]. Em Pequenas Centrais Hidrelétricas (PCH’s) a turbina Pelton atende a quedas de

100 m a 500 m, com potências na faixa de 500 a 12.500 kW [35].

25

Figura 8 – Roda Pelton com bocal único.

Fonte: [36]

Nas turbinas de reação, parte da variação de pressão do fluido ocorre em bocais

externos à roda, e o restante se dá nas próprias pás móveis, que atuam também como

bocais, devido à sua geometria. As turbinas de reação são montadas imersas no fluido

de trabalho, e por isso utiliza-se um difusor, ou tubo de extração, na saída da roda para

recuperar parte da energia cinética que permanece no escoamento que já passou pela

roda [34].

Tipicamente, turbinas de reação são aplicadas para menores alturas de head e

maior vazão, por permitirem eficiência maior que das turbinas de impulso, nessas

condições de instalação [35].

Dentre alguns tipos de turbinas de reação estão as turbinas Kaplan, Francis e de

Bulbo, que são mais amplamente utilizadas em Pequenas Centrais Hidrelétricas com

aplicações variando de 500 kW a 5000 kW, permitindo seu uso em quedas d’água que

vão de 4 m a 25 m de altura [35]. Na Figura 9 apresenta-se imagens da roda destas

turbinas.

Figura 9 – Representação da roda das turbinas: Bulbo (6.a), Kaplan vertical (6.b) e Francis (6.c).

Fig. 6.a Fig. 6.b Fig. 6.c

26

Fonte: Adaptado de [37], [38] e [39] respectivamente.

A turbina hidráulica utilizada para a geração de energia neste projeto é da marca

GR, de reação tipo propeller simples de eixo horizontal11. Turbinas tipo propeller são

semelhantes às turbinas Kaplan, todavia sua roda possui palhetas que são fixas, ao

contrário das palhetas de uma turbina Kaplan que podem mudar sua orientação de

acordo com a velocidade do escoamento.

Por conta de sua geometria de palhetas fixas, a curva de rendimento destas

turbinas é mais afetada pela variação da vazão conforme pode ser visto na Figura 10. A

curva A apresenta a variação de rendimento de uma turbina Kaplan com pás móveis,

com comportamento quase constante entre 40% e 100% da vazão máxima. Já para a

turbina Kaplan fixa (ou propeller), indicada pela curva D, verifica-se que há uma rápida

redução de seu rendimento conforme diminui a vazão de operação do equipamento.

Figura 10 - Variação do rendimento em função da vazão de água para algumas turbinas

hidráulicas Kaplan e uma turbina de impulso.


O modelo da turbina já foi previamente selecionado, portanto suas características

são tratadas aqui como um dado de projeto e todo o sistema de bombeamento será

dimensionado para atender às especificações de operação da turbina. A Figura 11

mostra os principais componentes da turbina pré-selecionada.

11 Dados do fabricante, disponíveis no Anexo I.

A – pás móveis e duto ajustável

B – pás móveis e duto fixo

C – pás fixas e duto fixo

D – pás fixas e duto ajustável

E – turbina de impulso

% da carga plena

% d

a ca

rga

ple

na

27

Figura 11 – Foto da turbina hidráulica, com a roda desmontada à esquerda.

Fonte: GR Turbinas Hidráulicas, 2014.

O conjunto moto-gerador possui potência nominal de 5 CV, trabalhando com

rotação de 1800 rpm. De acordo com a altura da queda d’água disponível ao

equipamento, um controlador eletromecânico tipo PID12 ajusta a vazão mantendo a

potência gerada constante.

A potência do eixo da turbina é transmitida a um gerador, acoplado a ele através

de correias. O papel do gerador é converter a potência do eixo em potência elétrica.

Sendo a potência nominal da turbina de 3,68 kW e o rendimento do gerador de 80%, a

potência máxima disponível (��ú𝑡𝑖𝑙) para o consumo final será de 2,94 kW. O gerador

possui as seguintes características apresentadas na Tabela 4.

Tabela 4 – Dados do gerador acoplado à turbina.

Tipo Rotação [rpm] Tensão [V] Frequência [Hz] Eficiência

Auto Regulado 1800 220/127 60 80 %

Fonte: GR Turbinas Hidráulicas, 2014 (Anexo I).

Sendo a potência nominal que a turbina deverá gerar igual a ��𝑚= 5 CV = 3,68

kW, e considerando o rendimento global da turbina hidráulica de 80% conforme dados

do fabricante13 (Anexo I):

𝜂𝑇 =��𝑚

��ℎ

= 80% (10)

12 Controladores PID são um tipo de controlador baseado em ações Proporcional, Integral e Derivativa

[41]. 13 Não foi disponibilizada a curva de rendimento em função da vazão pelo fabricante GR, mas apenas um

rendimento global informado para as condições de projeto.

28

Onde:

𝜂𝑇 = rendimento da turbina

��𝑚 = potência da turbina

��ℎ = potência hidráulica disponível

Encontra-se o valor de ��ℎ = 4,6 𝑘𝑊.

A caixa d’água selecionada, conforme Figura 12, possui volume de 10 m³ e

altura máxima 𝐻𝑡 = 10,9 m do nível d’água. A partir desses dados, obtém-se o valor da

vazão através da relação a seguir.

𝑄 =��ℎ

𝜌 ⋅ 𝑔 ⋅ 𝐻𝑡 (11)

Onde:

𝜌 = 998 𝑘𝑔/𝑚³

𝑔 = 9,81 𝑚/𝑠²

𝐻𝑡 = 10,90 𝑚

��ℎ = 4,6 𝑘𝑊

Encontrando-se portanto uma vazão de operação de 𝑄 = 0,043 𝑚³/𝑠 necessária

para o funcionamento da turbina hidráulica em sua condição de operação nominal.

Figura 12: Foto do reservatório de água selecionado.

Fonte: MAXRESERVA, 2014.

Nota: Dados no Anexo II.

4.1.2 Dimensionamento da tubulação de bombeamento

Para que se escolha o diâmetro de tubulação adequado ao escoamento, é

necessário estimar a perda de carga ao longo da tubulação.

O número de Reynolds (Re) do escoamento é calculado a partir de:

𝑅𝑒 =𝜌 ⋅ 𝐷 ⋅ V

𝜇

(12)

29

Onde:

𝜌 = massa específica do líquido

𝐷 = diâmetro da tubulação

𝑉 = velocidade média do escoamento

𝜇 = viscosidade absoluta

Calcula-se a perda de carga linear (hf) através tubulação pela seguinte relação:

ℎ𝑓 = 𝑓 ⋅𝐿 ⋅ 𝑉2

𝐷 ⋅ 2𝑔 (13)

Onde:

𝐿 = comprimento total de tubulação em metros;

𝐷 = diâmetro da tubulação;

𝑉 = velocidade média do escoamento;

𝑔 = aceleração da gravidade.

Sendo 𝑓 o fator de atrito, determinado pela expressão de Colebrook-White:

1

√𝑓= −2 log (

𝜀

3,7𝐷+

5,74

𝑅𝑒 ⋅ √𝑓) (14)

Onde:

𝜀 = rugosidade superficial da tubulação;

𝑅𝑒 = Número de Reynolds.

Escolhe-se a tubulação de aço comercial devido a sua baixa rugosidade ε = 0,05

mm quando comparada a outros materiais, tais como ferro fundido e concreto [42].

Conhecidas as dimensões do reservatório de água escolhido para o projeto e o material

da tubulação, deve-se agora dimensionar os diâmetros de sucção e descarga.

Uma válvula de retenção deve ser instalada após a descarga da bomba, evitando

que a água armazenada no reservatório superior retorne por gravidade, durante os

momentos em que a bomba não esteja trabalhando. Uma válvula de pé com crivo evita o

refluxo de água na tubulação de sucção, mantendo a bomba sempre escorvada. Válvulas

de retenção são colocadas nas tubulações de sucção e de recalque permitindo a

manutenção do sistema durante sua vida útil.

Para fins de facilidade na instalação e fixação da tubulação, seu percurso é

posicionado junto à lateral do reservatório conforme o esquema apresentado na Figura

13, a seguir.

30

Figura 13 - Esquema representativo do sistema de bombeamento (fora de escala).

Fonte: Figura elaborada pelo autor.

A linha possui as seguintes características:

14,6 metros de comprimento linear total;

3 joelhos de 90º (R=1D);

2 joelhos de 45º (R=1D);

2 válvulas gaveta;

1 válvula de retenção portinhola;

1 válvula de pé com crivo;

descontinuidades na entrada e saída.

Para a vazão de 0,043 m³/s, o diâmetro da tubulação de sucção deverá ser de

10”, com velocidade do escoamento de 0,88 m/s, muito próximo de 0,9 m/s conforme

recomendação de [42] (p.98 Tab. 3.8) propiciando boa condição de sucção,

minimizando o risco de cavitação.

Já para a tubulação de descarga, utiliza-se a recomendação de [42] (p.99 Tab.

3.9) com o diâmetro mais adequado de 8” com velocidade do escoamento de 1,33 m/s.

Calcula-se agora as perdas de carga lineares e localizadas ao longo da tubulação

utilizando-se o método de comprimento equivalente para as perdas localizadas [42].

Tabela 5: Perdas de carga localizadas – equivalência em metros de tubulação linear.

Diâmetro

[pol] Joelho 90º Curva 45º

Válvula

gaveta

Válvula de

retenção

Válvula de

pé e crivo

Entrada e

Saída

8” 6,40 3,20 2,74 27,44 - 14,63

10” 7,32 3,66 3,66 - 65 14,94 Fonte: Adaptado de [42] e [43].

31

O comprimento L para o cálculo da perda de carga linear é igual a:

𝐿 = 𝐿𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎𝑟 + 𝐿𝑒𝑞 (15)

onde:

𝐿𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎𝑟 = comprimento total da seção linear da tubulação.

𝐿𝑒𝑞 = comprimento equivalente devido a perdas de carga localizadas.

Resolvendo as equações de Reynolds (eq. 12), Colebrook-White (eq. 14) via

solução de Serghides14 e a equação de perda de carga (eq. 13), resulta a seguinte curva

do sistema para os diâmetros de tubulação selecionados, apresentada na Figura 14.

Figura 14 - Curva de head x vazão do sistema para a tubulação selecionada.

Fonte: Elaborada pelo autor.

A partir dos resultados obtidos, nota-se que o diâmetro da tubulação escolhido

gera uma perda de carga relativamente pequena, corroborando a recomendação da

literatura. Evidentemente, quanto maior for o diâmetro da tubulação menor a perda de

carga; entretanto com o aumento de diâmetro aumentam os custos de aquisição sem

benefícios consideráveis para uma linha de descarga tão curta [42].

4.1.3 Seleção da bomba hidráulica

Já conhecida a curva do sistema para a tubulação selecionada, inicia-se a seleção

da bomba hidráulica através dos dados fornecidos pelos fabricantes.

14 A solução de Serghides é uma aproximação da formulação implícita de Colebrook-White, válida para

Reynolds maior que 4000. Os cálculos foram realizados através de um software online [44] e seus

resultados comparados com o diagrama de Moody da referência [42].

Vazão [m³/h]

Alt

ura

Man

om

étr

ica

Tota

l [m

]

32

Para que o nível do reservatório se mantenha constante, a vazão da bomba

hidráulica deve ser no mínimo igual à vazão de operação da turbina na condição do

reservatório cheio de água. Sendo assim, a bomba deverá atender a essa vazão calculada

de 𝑄 = 0,043 𝑚³/𝑠 ou 155 𝑚³/ℎ.

Diversas marcas e modelos de bombas hidráulicas foram pré-avaliadas15, todavia

apenas 3 bombas se mostraram em uma faixa adequada de altura manométrica e vazão,

de forma que a análise aqui apresentada só contempla estes 3 modelos do fabricante

KSB. Os seguintes modelos foram avaliados, conforme a Tabela 6.

Tabela 6- Bombas hidráulicas avaliadas para o sistema.

Fabricante Modelo Legenda

KSB MegaCPK 125-100-200 Ø180 Bomba 1

KSB MegaCPK 125-100-160 Ø185/A01 Bomba 2

KSB MegaCPK 150-125-250 Ø252 Bomba 3

Fonte: Adaptado de KSB (Anexo III).

De acordo com as especificações do fabricante apresentadas para cada modelo,

os seguintes gráficos foram gerados, conforme a Figura 15. Através da interseção da

curva do sistema com as curvas características de cada uma das bombas determina-se o

ponto de operação em que cada uma delas trabalhará quando instalada. A partir dessa

informação, escolhe-se o modelo mais adequado ao projeto, buscando uma vazão

mínima de 155 m³/h com o menor consumo de potência possível.

15 Foram pesquisadas bombas hidráulicas dos fabricantes DANCOR, Jacuzzi e KSB.

33

Figura 15 - Curva do sistema x Curvas das bombas avaliadas.

Fonte: Figura elabora pelo autor.

Nota: Dados disponíveis no Anexo III.

Da interseção entre a curva da bomba com a curva do sistema, encontra-se o seu

ponto de trabalho. A partir dele pode-se obter os dados de potência absorvida e de

rendimento da bomba, através dos dados fornecidos pelo fabricante (ver Anexo III). Os

valores para cada uma das 3 bombas avaliadas estão apresentados na Tabela 7, a seguir.

Tabela 7 - Rendimento de bombas em seu ponto de operação esperado. Elaborada pelo autor.

Modelo Vazão

[m³/h]

Head [m] Rendimento 𝜼 [%]

Potência

Absorvida [kW]

MegaCPK 125-100-200

Ø180 160 12,1 75,6 6,9

MegaCPK 125-100-160

Ø185/A01 171 12,2 82 6,8

MegaCPK 150-125-250

Ø252 156 12,1 81 6,3

Fonte: Elaborada pelo autor com base em KSB.

Nota: As curvas e dados das bombas encontram-se no Anexo III.

O modelo de bomba que apresentou melhor performance para o caso estudado é

a Bomba 3, modelo MegaCPK 150-125-250 Ø252, do fabricante KSB uma vez que ele

permite o menor consumo de energia atendendo à vazão mínima desejada de 155 m³/h.

Verificando mais algumas condições de operação desta bomba para o sistema

projetado, avaliou-se a energia específica por unidade de peso ofertada pelo sistema,

(NPSHd - Net Positive Suction Head disponível), para averiguar se há risco de

cavitação. Podemos seguir a margem de segurança indicada pela literatura, mostrada

abaixo [42] .

Alt

ura

Man

om

étr

ica

Tota

l [m

]

Vazão [m³/h]

34

𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑 = 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑟 + 0,6 𝑚 𝑑𝑒 𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 (16)

𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑 = (𝑍𝑠 +𝑝𝑠𝛾− ℎ𝑓𝑠) +

𝑝𝑎𝑡𝑚 − 𝑝𝑣𝛾

(17)

Onde:

𝑍𝑠 = altura manométrica de sucção.

𝑝𝑠 = pressão no reservatório de sucção.

𝑝𝑣 = pressão de vapor da água.

𝑝𝑎𝑡𝑚 = pressão atmosférica.

ℎ𝑓𝑠 = perda de carga na sucção.

𝛾 = peso específico da água.

Avaliando a tubulação de sucção para uma temperatura média da água de 30ºC

com a vazão nominal de 156 m³/h encontra-se o 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑 = 9,2 𝑚. Pela curva da bomba

(Anexo III), o NPSH requerido para essa vazão de operação é de 1,1 m, muito abaixo do

valor disponibilizado pelo sistema. Sendo assim, não há riscos de cavitação neste

regime de funcionamento.

Verifica-se também que o head de shut-off da bomba selecionada encontra-se

dentro da faixa recomendada [42] , entre 110% e 120% do valor de head de operação.

𝐻𝑠ℎ𝑢𝑡−𝑜𝑓𝑓

𝐻𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎çã𝑜=13,5

12,1= 1,12 = 112%

(18)

4.2 Sistema de Geração

Agora conhecida a demanda de potência elétrica da bomba hidráulica, pode-se

dimensionar o sistema de geração elétrica, ou seja, a quantidade e modelo das placas

solares que alimentarão o bombeamento.

Os seguintes modelos de placa solar, disponíveis no mercado brasileiro, foram

avaliados conforme a Tabela 8, e o painel fotovoltaico escolhido é o modelo Yingli

PANDA 60 YL280C-30b devido à sua maior eficiência de conversão.

Tabela 8 – Painéis Fotovoltaicos avaliados.

Marca/Modelo Célula Potência [Wp]1 Eficiência do

módulo em Pmáx

Área Total do

Painel [m²]

Yingli PANDA 60

YL280C-30b Mono-Si 280 17,2% 1,62

Yingli PANDA 48

YL225C-24b Mono-Si 225 17,1 % 1,32

W solar

YZM230M-60 Mono-Si 230 14,0% 1,64

35

Yingli PANDA

YL310P-35b Poli-Si 310 16,0% 1,94

Canadian Solar

CS6P-255P Poli-Si 255 15,8% 1,61

Kyocera KD140-

UPU Poli-Si 140 14% 1,00

Fonte: Dados dos fabricantes, disponíveis no Anexo IV.

Nota: 1) Valor de Potência [em Wp] para condição de irradiação solar de 1000 W/m² a 25ºC.

Uma vez que os painéis fotovoltaicos produzem energia em corrente contínua

(CC), é necessário transformá-la em corrente alternada (CA) para realizar a conexão

com a bomba hidráulica, através de um inversor, também denominado conversor CC-

CA. Vale ressaltar que sistemas fotovoltaicos podem também alimentar bombas de

corrente contínua, descartando o uso de inversores. Todavia como são bombas

volumétricas suas vazões são baixas, não atendendo ao projeto.

O inversor selecionado é apresentado na Tabela 9, abaixo, e atende à carga

nominal da bomba hidráulica de 6,3 kW. Sua escolha deve-se ao fato de ser um produto

específico para aplicação em painéis fotovoltaicos, portanto compatível com as

características elétricas de saída dos painéis. A curva de eficiência do inversor é

apresentada na Figura 16.

Tabela 9 – Características do inversor de corrente WEG.

Potência

Nominal [kW] Tensão [V]

Frequência

[Hz]

Corrente

[A]

Eficiência

Máxima

Temperatura de

operação [ºC]

Entrada 7,1 ≤ 1000 - ≤ 15

98 % -25 a 60 Saída 7,0 220/380 60 10,2

Fonte: Adaptado de WEG (Anexo V).

Figura 16 – Curva de eficiência do inversor selecionado.

Fonte: Adaptado de WEG (Anexo V).

36

Durante o funcionamento em potência nominal da bomba hidráulica, o inversor

estará trabalhando com 6,3 kW o que representa 90% de sua potência nominal. Para este

valor, conforme a Figura 16, a eficiência do equipamento ηinv é de aproximadamente

97%. Podemos agora calcular o número de placas solares necessárias à instalação

sabendo que:

��𝑎𝑏𝑠 = 𝜂𝑖𝑛𝑣 ��𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 (19)

Onde:

��𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = potência total gerada pelos painéis.

𝜂𝑖𝑛𝑣 = eficiência do inversor.

��𝑎𝑏𝑠 = potência absorvida pela bomba hidráulica.

Portanto, a potência total gerada nos painéis fotovoltaicos deverá ser ��𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 =

6,5 𝑘𝑊. Sendo cada unidade capaz de produzir até 280 W, são necessários ao todo 24

painéis fotovoltaicos que, em conjunto, são capazes de gerar 6.720 Wp, considerando

que os painéis trabalhem todo o tempo em sua potência nominal.

5 Resultados

Neste capítulo são apresentadas as características mais representativas do

sistema de geração e acumulação/regularização previamente dimensionado para

estabilizar a energia elétrica, tais como eficiência, potência, capacidade de

armazenamento e estimativa da energia média a ser gerada.

5.1 Capacidade de armazenamento energético

Sendo a máxima energia armazenável no sistema de acumulação/regularização

dada pela Equação 7, abaixo, já apresentada no Capítulo 4.

Ures = ρ ∙ Vres ∙ g ∙ H = 895,8 kJ (7)

Onde:

ρ = 998 kg/m³ (massa específica do fluido).

Vres = 10 m³ (volume do reservatório).

g = 9,81 (aceleração da gravidade).

H = 9,15 (altura do centro de massa em relação ao referencial).

37

A capacidade de armazenamento de energia do acumulador é de

aproximadamente Ures = 895,8 kJ = 248,8 Wh.

5.2 Tempos de carga e descarga do reservatório

O tempo total para encher completamente o reservatório (tcarga) é calculado pela

vazão da bomba hidráulica, segundo a relação:

tcarga =𝑉𝑟𝑒𝑠𝑄

= 3min 50 𝑠 (20)

Onde:

Vres = 10 m³ (volume total do reservatório).

Q = 0,0433 m³/s (vazão da bomba hidráulica).

Sabendo que o controlador PID da turbina hidráulica ajusta a vazão para manter

constante a potência gerada, a vazão instantânea Q(x) pode ser definida em função da

coordenada x que indica a altura da superfície livre no reservatório, conforme a Figura

17.

Figura 17 – Eixo de coordenadas adotado para o cálculo do tempo de descarga do reservatório.


Sabendo-se que:

{

𝑄(𝑥) =𝑑𝑥

𝑑𝑡𝜋𝑅2

𝑄(𝑥) =��ℎ

𝜌𝑔

1

𝑥

(21)

Onde:

𝑄(𝑥) = Vazão em função do nível do reservatório.

38

��ℎ = potência hidráulica.

𝜌 = massa específica.

g = 9,81 (aceleração da gravidade).

H = 9,15 (altura do centro de massa em relação ao referencial).

𝑥 = coordenada da superfície livre.

𝑅 = raio do reservatório.

O tempo total de descarga do reservatório (tdescarga) será:

𝑡𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 = −𝜌𝑔𝜋𝑅²

2��ℎ

∫ 𝑥27,4

10,9

𝑑𝑥 (22)

Portanto 𝑡𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 = 193 𝑠 = 3min 13 𝑠.

5.3 Potências máximas de carga e descarga

A potência máxima de carga (Pcarga, máx) é determinada pela bomba hidráulica,

sendo:

𝑃𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎,𝑚á𝑥 = ��𝑎𝑏𝑠 𝜂𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 = 6,3 × 0,81 = 5,1 𝑘𝑊 (23)

Onde:


𝜂𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 = rendimento da bomba hidráulica.

A potência máxima de descarga (Pdescarga, máx) é dada pela própria potência na

saída do gerador, ou seja,

𝑃𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎,𝑚á𝑥 = 2,94 𝑘𝑊.

5.4 Eficiência do acumulador/regularizador

Considerando o sistema de acumulação e regularização, que inclui todos os

processos de transporte e conversão da energia gerada pelos painéis fotovoltaicos, sua

eficiência de conversão (𝜂𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟) é dada por:

39

𝜂𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟 =��ú𝑡𝑖𝑙

��𝑝𝑎𝑖𝑛é𝑖𝑠

=2,94 𝑘𝑊

6,72 𝑘𝑊= 43,75 %

(24)

Onde:

Wútil = potência útil para consumo final.

��𝑝𝑎𝑖𝑛é𝑖𝑠 = potência gerada pelos painéis solares.

Uma vez que o reservatório não possui nenhuma área aberta, efeitos de

evaporação da água são desprezíveis. Por conta disso, considera-se que não haverá

dissipações de energia durante o armazenamento de energia.

5.5 Eficiência global do sistema fotovoltaico com acumulação/regularização

A eficiência global do sistema (𝜂𝐺𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙) leva em conta todas as etapas de

conversão e transporte de energia que ocorrem no sistema, permitindo que se faça uma

análise global de toda energia primária absorvida pelo sistema (radiação solar) até a

entrega de energia ao consumo final (energia útil ofertada ao laboratório). A estimativa

deste parâmetro é apresentada abaixo, considerando uma condição de incidência de

radiação solar padrão para os painéis solares de 1000 W/m².

𝜂𝐺𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙 =��ú𝑡𝑖𝑙

��𝑝𝑎𝑖𝑛é𝑖𝑠

𝜂𝑝𝑎𝑖𝑛é𝑙 =2,94 𝑘𝑊

6,72 𝑘𝑊0,172 = 6,76%

(25)

Onde:

��ú𝑡𝑖𝑙 = potência útil para consumo final.


𝜂𝑝𝑎𝑖𝑛é𝑙 = eficiência dos painéis solares.

5.6 Energia média diária útil

Considerando a localização geográfica do laboratório, situado no Rio de Janeiro,

os dados sobre o índice de radiação solar são tomados do software RETScreen 4.016

utilizando informações do aeroporto do Galeão, a cerca de 10 km de distância. Os dados

são apresentados na Figura 18, abaixo.

16 RETScreen 4.0 é um software de análise de projetos de energia baseado em Excel, possuindo uma base

de dados climáticos para diversas regiões do planeta, modelos para avaliação financeira e medidas de

eficiência energética [45].

40

Figura 18 - Dados de Radiação Solar e Localização do Laboratório.

Fonte: Adaptado de RETScreen 4.

Dada a média anual de radiação solar global diária de Rdiária = 4,49 kWh/m².dia

[46], calcula-se o número de Horas de Sol Pleno (HSP). Segundo [11], “Esta grandeza

reflete o número de horas em que a irradiância solar deve permanecer constante e

igual a 1kW/m², de forma que a energia resultante seja equivalente à energia

disponibilizada pelo Sol no local em questão, acumulada ao longo de um dado dia.” e

pode-se calcular o HSP pela seguinte relação:

𝐻𝑆𝑃 = 𝑅𝑑𝑖á𝑟𝑖𝑎 [

𝑘𝑊ℎ

𝑚2]

1 [𝑘𝑊ℎ

𝑚2]

=4,49

1= 4,49 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠

(26)

A partir do HSP calculado, pode-se estimar a energia média diária (��𝑓𝑜𝑡𝑜) que

será gerada pelo sistema fotovoltaico, conhecida a área total de painéis e sua potência

nominal.

��𝑓𝑜𝑡𝑜 = 𝑊𝑝 × 𝐻𝑆𝑃 × 𝑁 (27)

Onde:

��𝑓𝑜𝑡𝑜 = Energia média diária gerada pelos painéis.

𝑊𝑝 = Potência nominal dos painéis solares.

𝐻𝑆𝑃 = Horas de Sol Pleno estimado para o local.

𝑁 = Número total de placas solares.

41

A energia média diária gerada nos painéis é estimada em ��𝑓𝑜𝑡𝑜 = 30,17 𝑘𝑊ℎ

por dia. Para estimar-se a energia média útil disponível para consumo final ��ú𝑡𝑖𝑙 deve-

se considerar o rendimento do sistema de acumulação/regularização, conforme abaixo.

��ú𝑡𝑖𝑙 = ��𝑓𝑜𝑡𝑜 𝜂𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟 (28)

Sendo portanto ��ú𝑡𝑖𝑙 = 13,2 𝑘𝑊ℎ por dia entregues ao laboratório para consumo final.

6 Discussão e Conclusão

Os resultados obtidos no Capítulo 5 para o sistema de acumulação/regularização

indicam que suas eficiências calculadas estão abaixo dos valores apresentados pela

literatura. Segundo a Tabela 3, a eficiência de conversão de hidroacumuladores se situa

em faixas de 70 a 85%, enquanto o sistema aqui apresentado possui eficiência estimada

de aproximadamente 48%.

Avaliando os diversos equipamentos que compõem o hidroacumulador deste

projeto, verifica-se que o rendimento do gerador acoplado à turbina do fabricante GR

𝜂𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 = 80% é inferior ao rendimento típico de geradores comerciais instalados em

centrais hidrelétricas. Se tomarmos como exemplo a Usina Hidrelétrica de Manso, no

Mato Grosso, com potência instalada de 212 MW, o gerador de uma de suas unidades

(UG04 - 44 MW) possui rendimento de 98,4% [47], muito superior ao rendimento do

gerador utilizado neste projeto.

Outro equipamento com rendimento abaixo dos valores de literatura típicos é a

turbina. Turbinas hidráulicas em geral são desenvolvidas para maiores potências,

enquanto o modelo de turbina da GR produz somente alguns poucos kW’s.

Por conta disso, há certa dificuldade de obtenção destes equipamentos no

mercado em escala tão reduzida, e o seu grau de sofisticação é muito menor quando

comparado às turbinas de alta potência. Sua construção mais simples leva a maiores

dissipações de energia por atrito entre as partes móveis da máquina e um perfil

hidrodinâmico da roda de qualidade inferior, justificando assim seu rendimento

relativamente baixo.

Ainda que o baixo rendimento desses equipamentos seja negativo para o

sistema, esses resultados já eram esperados devido à sua pequena escala. Sendo assim,

42

sua viabilidade não é descartada uma vez que o sistema possui aplicação distinta

daquelas apresentadas pela literatura. Enquanto os hidroacumuladores são normalmente

utilizados para armazenamento sazonal, storage trade entre variações tarifárias e

estabilização de frequência da rede elétrica, o sistema aqui dimensionado tem por

objetivo principal a regularização da potência elétrica dos painéis solares,

intrinsecamente oscilatória devido aos efeitos atmosféricos.

Outro resultado importante apresentado no Capítulo 5 é o tempo total de

descarga do acumulador/regularizador, tdescarga = 3 min 13 s. O papel principal do

sistema portanto é de regularização/estabilização da energia elétrica, uma vez que sua

capacidade de armazenamento de energia é bastante pequena, em relação à potência da

turbina.

Dado o pequeno volume do reservatório para a vazão da turbina selecionada, três

soluções podem ser tomadas de forma a aumentar o tempo efetivo de descarga do

acumulador/regulador. Aumentar o diâmetro do reservatório, permitindo que o sistema

absorva mais energia devido ao seu maior volume; aumentar a altura do reservatório,

elevando a energia potencial do acumulador; ou reduzir a vazão de operação da turbina

hidráulica, implicando na geração de menor potência para o laboratório.

Dada uma geometria cilíndrica do reservatório, podemos descrever

simplificadamente o tempo de descarga como uma função de três parâmetros e verificar

como cada um deles afeta o valor da função, conforme a equação abaixo.

𝑡𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 = 𝑡(𝑥, 𝑅, ��ℎ) =𝜋𝜌𝑔𝑅2𝑥2

2��ℎ

(29)

Onde.

𝑥 = altura do centro de massa da água no reservatório.

𝑅 = raio do reservatório.

��ℎ = Potência da turbina.

Os gráficos da Figura 19 apresentam a variação do tempo de acordo com cada

um destes parâmetros, fixando-se o demais. Conforme pode ser depreendido da equação

29, o tempo de descarga cresce com o quadrado de x e R, enquanto decresce

assintoticamente a zero com o aumento da potência hidráulica. Matematicamente,

portanto, aumentar o raio ou altura do reservatório produz efeitos semelhantes na função

tdescarga.

43

Figura 19 – Curvas de variação do tempo de descarga do reservatório em função de x, R e ��𝐡.

Do ponto de vista de eficiência energética, entretanto, o aumento da altura do

reservatório é menos eficiente do que o aumento do seu raio. Conforme se eleva sua

altura, maior a potência consumida no bombeamento e as perdas por atrito crescem

conforme aumenta o comprimento da tubulação. Por outro lado, o aumento do raio do

reservatório não produz quaisquer alterações no sistema de bombeamento.

Outra forma de se permitir maior tempo de descarga seria através da redução da

potência da turbina hidráulica, o que implica na seleção de uma turbina ainda menor.

Surgem então problemas técnicos de disponibilidade de equipamentos tão diminutos no

mercado, para os quais os fabricantes não apresentam dados de rendimento ou curvas

características de suas turbinas17. Além disso, quanto menor a escala da máquina mais

relevantes se tornam as dissipações por atritos internos, tendendo a reduzir seu

rendimento.

Sendo assim, dos três parâmetros avaliados, aquele que traz o melhor resultado é

o aumento do volume do reservatório (através do aumento de seu raio), conservando

todas as características do sistema hidráulico já dimensionado no Capítulo 4.

17 Exemplos de turbinas de menor potência que não apresentam as características técnicas do

equipamento podem ser vistos em [48], [49] e [50].

x [m] R [m]

t des

carg

a [m

in]

t des

carg

a [m

in]

t des

carg

a [m

in]

��ℎ [kW]

44

Até a data de conclusão deste trabalho o sistema não havia sido todo montado,

portanto futuramente deverá ser feita a instalação de todos os equipamentos. As

seguintes verificações deverão ser então realizadas, para confirmar que o

comportamento real do sistema está de acordo com os resultados esperados pelo projeto.

Medição da potência elétrica gerada pelos painéis.

Medição da vazão de operação da bomba hidráulica após instalada.

Medição da potência elétrica útil despachada para consumo do laboratório.

Em trabalhos futuros será inserida mais uma fonte de energia, através de

aerogeradores. Deverá ser estudado o recurso eólico da região, bem como a quantidade

e tipo de turbinas eólicas instaladas. A eletricidade por elas gerada será despachada para

um segundo sistema de bombeamento, independente daquele dimensionado neste

trabalho, conforme a Figura 20, devendo ser dimensionados tanto uma nova tubulação

quanto outra bomba.

Figura 20 – Sistema híbrido de geração fotovoltaica e eólica. O hidroacumulador absorve ambas as fontes

de energia e a regularização é feita através da turbina hidráulica.


Com essa segunda fonte energética, o hidroacumulador passará a fazer o papel

de regularizador de um sistema híbrido renovável, sem a necessidade de instalação de

um controlador eletrônico, uma vez que o funcionamento da turbina hidráulica não

sofrerá alterações, conforme dito anteriormente no Capítulo 4.

45

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60245084373.html. Acesso em: 01-Aug-2015.

50

8 ANEXOS

Anexo I – Informações técnicas da turbina hidráulica

58

Anexo II – Dados do reservatório de água

59

Anexo III– Curvas características e dados das bombas hidráulicas

Curvas características das bombas KSB.

Curvas características da Bomba 1

60

Curvas características da Bomba 2

61

Curvas Características da Bomba 3

62

Anexo IV – Catálogo dos painéis fotovoltaicos avaliados

65

Anexo V – Informações técnicas do inversor CC-CA

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