MÉTODO PARA CÁLCULO DE GERAÇÃO DE ENERGIA FOTOVOLTAICA EM ÁREAS URBANAS Mestranda: Isabel...

MÉTODO PARA CÁLCULO DE GERAÇÃO DE ENERGIA

FOTOVOLTAICA EM ÁREAS URBANAS

Mestranda: Isabel Tourinho Salamoni

Orientador: Ricardo Rüther, PhD.

Coorientador: Paulo Knob, Dr. Ing.

Brasil: problemas com relação a questões energéticas;

Estratégia : aumentar a eficiência energética;

Sistema Fotovoltaico:

- causar menor dano ambiental;

- próximo ao ponto de consumo.

Conhecendo a capacidade de geração de uma planta fotovoltaica:

- fonte geradora;

- aumentar a capacidade da rede.

INTRODUÇÃO RESULTADOS OBTIDOS CONCLUSÕESREVISÃO BIBLIOGRÁFICA METODOLOGIA APLICADA

INTRODUÇÃO

OBJETIVOS

Objetivo Geral

- Análise entre consumo e geração: verificar o potencial de contribuição dos sistemas FV no suprimento de energia.

Objetivos Específicos

- Utilização de uma fonte renovável e próxima ao ponto de consumo;

- Consumo energético em cada setor estudado;

- Níveis de radiação, orientação e inclinação de forma a maximizar a quantidade de energia gerada pelo sol em função da área disponível;

- Suficiência da área de cobertura;

- Pico de demanda com geração FV.


Hamakawa (2002): Total de radiação incidente na superfície da terra equivale a 10 000 vezes mais do que a demanda mundial em todo o ano de 2002.


RADIAÇÃO SOLAR

Green (2003): Indústria FV – impulso crescente – 30 a 40% ao ano desde 1996.

Crescimento da produção mundial FV (PV NEWS, 2004).


TECNOLOGIAS

(GOETZBERGER et al.; 2002)


TECNOLOGIAS

TECNOLOGIA: a-Si


Anos 80: tecnologia em filmes finos;Fina camada de material

semicondutor;Maior flexibilidade e variabilidade;

Eficiência menor – independe da temperatura.

TECNOLOGIA: c-Si


Mais tradicional e dominante;

Consolidou no mercado pela confiabilidade.

Eficiência duas vezes a-Si – depende da temperatura.

Alto índice de eficiência;

TECNOLOGIA: CdTe


Uma década – aplicações em calculadoras;

Recente competidora a-Si e c-Si;

Filmes finos – forma de placas de vidro;

Atrativo estético.

TECNOLOGIA: CIS


Disselineto de cobre e Índio;

Eficiências elevadas;

Excelente aparência estética;

Escassez dos elementos e toxidade.

TECNOLOGIA: HIT


Mais nova tecnologia;

Avançadas técnicas de produção;

Células cristalinas com camadas de silício amorfo;

Maiores eficiência.

NÍVEL DE PENETRAÇÃO

Estudos realizados por Herig e Perez (2001) consideram níveis de penetração na ordem de 1 a 15%;

Potência FV instalada com relação à demanda do setor;


OBJETO DE ESTUDO

Selecionadas duas capitais brasileiras: Florianópolis (SC) e Belo Horizonte (MG), com diferentes características:

- Construtivas;- Consumo energético;- Radiação solar;- Latitude local;- Clima.

Selecionadas áreas urbanas denominadas setores:- Comercial: vertical; - Residencial: horizontal;- Misto: Vertical e Horizontal.


CIDADE DE FLORIANÓPOLIS

Selecionados dois setores: residencial (Jurerê) e outro comercial (Centro).


Região Norte

Região Central

CIDADE DE BELO HORIZONTE

Selecionados três setores: central (Hiper Centro), outro residencial (Floresta) e outro misto (Santa Efigênia).

Santa Efigênia

Floresta

Hiper Centro

Fonte: Prodabel


ANÁLISE DE SENSIBILIDADEAMOSTRAGEM

Calculada a área total de cobertura das edificação.- Belo Horizonte: área das edificações cadastradas em um

banco de dados área real.

- Florianópolis: medições manuais na planta de quadra área estimada amostragem.

AMOSTRAGEM- Dez edificações de forma aleatória: valores locados na planta

de quadra;- Média de área de cobertura real por edificação, média de

inclinação, orientação e a média de área sombreada.


PERCENTUAL DE SOMBREAMENTO

Programa lightscape: modelo tridimensional delimita a área sombreada por um elemento em diferentes épocas do ano.

- Maquetes eletrônicas locadas uma ao lado da outra: três períodos do ano, solstícios e os equinócios (junho, setembro e dezembro), considerando três horários: 09, 12 e 15 h (horários notáveis).


INCLINAÇÃO E ORIENTAÇÃO

Calculada a geração de energia FV produzida pelo sistema hipotético;

Realizados três estudos de caso:- 10 estudo: coberturas na horizontal;- 20 estudo: coberturas com inclinação igual à latitude local e

orientadas para o norte verdadeiro situação ideal;- 30 estudo: considera as questões reais de inclinação,

orientação e sombreamento das coberturas amostra.

Existência de uma variação significativa entre os casos e quantificar;


CÁLCULO DE RADIAÇÃO E GERAÇÃO DE ENERGIA FV

Cidade de Belo Horizonte: mesmo valor da relação de variação entre real e ideal para a cidade de Florianópolis;

Quantidade de radiação incidente no plano do painel (dados satélite horizontais) radiasol;

- orientações Sul, Sudeste e Sudoeste: desconsideradas.

Potência a ser instalada pelo sistema:

Pcc = E/ Gpoa/ Nel

Área requerida para a instalação da potência:

Areq =Pcc/Eff


CÁLCULO DE RADIAÇÃO E GERAÇÃO DE ENERGIA FV

Seis tecnologias FV comercialmente disponíveis:

m-Si; CdTe;

a-Si CIS;

p-Si; HIT.


TECNOLOGIAS UTILIZADAS


Eff depende da temperatura: recalculadas segundo NOCT.


Consumo energético de cada setor: um alimentador por setor;



Curvas de pico de demanda;

SETOR JURERÊ (alimentador INE 02)- DIA DE MÁXIMA DEMANDA (dia 18/01/2001)

0

2000

4000

6000

8000

10000

00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 00:00

Hora do Dia

Dem

anda

(kW

)

SETOR CENTRO (alimentador ICO 07)-DIA DE MÁXIMA DEMANDA (dia 09/03/2002)

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 00:00

Hora do Dia

De

ma

nd

a (

kW)



Quantidade de área de cobertura estimada;

Radiação solar:- Superfícies na horizontal (1º caso);- Superfícies inclinadas a 27 graus e orientadas para o norte

verdadeiro (2º caso);- Superfícies com médias de orientação real e média de

inclinação (3º caso).

Percentual de suprimento do consumo;


CIDADE DE FLORIANÓPOLISSetor Jurerê

ALIMENTADOR INE 02Demanda, Geração Fotovoltaica e Demanda - Geração

Fotovoltaica

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 00:00

Hora do Dia

Dem

and

a (k

W)

Demanda

Geração FV

Demanda - Geração FV


Nível de penetração de 20%;

Pico de geração FV: dia – pico da demanda: noite;

Aquecimento solar: deslocaria o pico para o dia (BH já possui programa de GLD).

CIDADE DE FLORIANÓPOLISSetor Jurerê

Variação de 43% entre caso real e caso ideal: desconsideradas as orientações S, SE e SO;

Auto suficiência – três tecnologias;

Grande potencial de geração FV – área de cobertura disponível;

Mini usina geradora: redução da sobrecarga da rede.


Estudos de Caso Percentual de suprimento do consumo no setor Jurerê m-Si a-Si p-Si CdTe CIS HIT

10 212,90 108,10 183,00 113,00 127,00 277,00 20 225,40 114,32 194,60 120,00 135,00 293,24 30 127,37 64,61 109,42 67,89 76,51 165,74

CIDADE DE FLORIANÓPOLISSetor Centro


ALIMENTADOR ICO 07Demanda, Geração Fotovoltaica e Demanda - Geração

Fotovoltaica

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 00:00

Hora do Dia

Dem

and

a (k

W)

Demanda

Geração FV



Pico de geração FV:dia – pico da demanda: dia

Diminuição significativa da demanda: coincidência temporal (característica típica).

CIDADE DE FLORIANÓPOLISSetor Centro


Variação de 64% entre caso real e caso ideal: área comum ao condomínio;

Não conseguiria a auto suficiência – conseguiria nível de penetração recomendável;

Grande importância para a concessionária – auxiliando na redução da curva de carga;

Estudos de Caso Percentual de suprimento do consumo no setor Centro m-Si a-Si p-Si CdTe CIS HIT

10 151,02 76,60 129,74 80,49 90,71 196,49 20 159,86 81,09 137,33 85,21 96,01 208,00 30 54,98 27,89 47,23 29,30 33,02 71,53


BAIRRO HIPER CENTRO BAIRRO FLORESTA BAIRRO SANTA EFIGÊNIA

Alimentador Consumo (kWh/mês)

Alimentador Consumo

(kWh/mês) Alimentador

Consumo (kWh/mês)

BHBP 04 1.804.737 BHBP 09 59.901 BHCN 02 70.816 BHBP 10 1.488.421 BHBP 13 370.124 BHCN 05 2.017.905 BHBP 13 316.825 BHCN 02 127 BHCN 46 472.943 BHBP 18 12.564 BHCN 05 282.196 BHHR 29 15.138 BHCN 01 4.825.243 BHCN 46 506.681 BHSE 05 4.118 BHCN 02 2.129.001 BHHR 05 187.447 BHSE 06 20.202

INDEFINIDO 22.295 BHHR 12 707.630 BHSE 08 44.844 MédiaMensal 10.599.086 BHSE 16 6.461 BHSE 10 162.433

Total Anual 127.189.032 BHSE 19 470.263 BHSE 11 507.189

BHSE 20 838.922 BHSE 12 1.186.618 Média Mensal 3.429.752 BHSE13 30.738

Total Anual 41.157.024 BHSE 14 306.064 BHSE 15 112.078 BHSE 16 358.488 BHSE 17 31.363 BHSE 19 679.199 BHSE 20 394.813 BHSE 21 87.690 BHSE 22 196.826 Média Mensal 6.699.465

Total Anual 80.393.580


Consumo energético de cada setor: mais de um alimentador por setor;


Curvas de pico de demanda;


SETOR HIPER CENTRO- DIA DE MÁXIMA DEMANDA (01/01/2004)

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 00:00

Hora do Dia

Dem

and

a (k

W)



SETOR FLORESTA - DIA DE MÁXIMA DEMANDA (01/01/2004)

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 00:00

Hora do Dia

Dem

and

a (k

W)


SETOR SANTA EFIGÊNIA - DIA DE MÁXIMA DEMANDA (02/01/2004)

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

45000

50000

00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 00:00

Hora do Dia

De

ma

nd

a (

kW

)



Quantidade de área de cobertura real;

Radiação solar:- Superfícies na horizontal (10 caso);- Superfícies inclinadas a 20 graus e orientadas para o norte

verdadeiro (20 caso);- Valor da relação entre caso real e caso ideal para o setor

Centro da cidade de Florianópolis (30 caso).

Percentual de suprimento do consumo.


CIDADE DE BELO HORIZONTESetor Hiper Centro

SETOR HIPER CENTRO - Dia 02/01/04Demanda, Geração FV e Demanda - Geração FV

Nível de Penetração de 20%

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 00:00

Hora do Dia

Dem

and

a (k

W)



Coincidência temporal (característica típica);

Diminuição da curva demanda;

Deslocamento do pico:incidência solar pequena e demanda alta – redução pouco intensa (5,5%).



Demanda, Geração FV e Demanda - Geração FV ALIMENTADOR BHBP 18

Dia 02/01/2004

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0:00:00 3:00:00 6:00:00 9:00:00 12:00:00 15:00:00 18:00:00 21:00:00 0:00:00

Melhor alimentador;


Redução de 14%.



Variação de 64% entre caso real e caso ideal;

Não conseguiria a auto suficiência – conseguiria nível de penetração recomendável;

Grande importância para a concessionária – energia gerada, benefício ao sistema de T & D.

Estudos de Caso Percentual de suprimento do consumo no setor Hiper Centro m-Si a-Si p-Si CdTe CIS HIT

10 85,23 43,22 73,21 45,42 51,18 110,88 20 89,85 45,58 77,19 47,89 53,97 116,91 30 30,55 15,50 26,24 16,28 18,34 39,75

CIDADE DE BELO HORIZONTE Setor Floresta


SETOR FLORESTA - Dia 02/01/04Demanda, Geração FV e Demanda - Geração FV


0

5000

10000

15000

20000

00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 00:00

Hora do Dia

Dem

and

a (k

W)

Demanda

Geração FV

Demanda - GeraçãoFV


Pico de geração FV:dia – pico da demanda: noite;

Aquecimento solar:deslocaria o pico para o dia.

CIDADE DE BELO HORIZONTE Setor Floresta


Conseguiria a auto suficiência (três tecnologias);

Grande potencial de geração FV – área de cobertura disponível: mini usina geradora.


Estudos de Caso Percentual de suprimento do consumo no setor Floresta m-Si a-Si p-Si CdTe CIS HIT

10 338,88 171,89 291,13 180,62 203,54 440,92 20 357,30 181,24 306,96 190,45 214,61 464,90 30 121,28 61,62 104,37 64,75 72,96 158,07

CIDADE DE BELO HORIZONTE Setor Santa Efigênia

SETOR SANTA EFIGÊNIA - Dia 02/01/04Demanda, Geração FV e Demanda - Geração FV


0

10000

20000

30000

40000

50000

00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 00:00

Hora do Dia

Dem

anda

(kW

)

Demanda

Geração FV




Pico de geração FV:dia – pico da demanda: noite;

Aquecimento solar:deslocaria o pico para o dia.

CIDADE DE BELO HORIZONTE Setor Santa Efigênia



Não conseguiria a auto suficiência;

Grande importância para a concessionária – energia gerada;

Energia próxima ao ponto de consumo – evitando grandes percursos.

Estudos de Caso Percentual de suprimento do consumo no setor Santa Efigênia m-Si a-Si p-Si CdTe CIS HIT

10 202,82 102,88 174,24 108,11 121,82 263,89 20 213,85 108,47 183,72 113,98 128,45 279,32 30 72,71 36,88 62,46 38,75 43,67 94,97

CONCLUSÕES FINAIS

Centros Urbanos : grande potencial de geração FV;

Geração FV – inúmeros benefícios: eficiência energética geração de energia e economia;

Florianópolis e Belo Horizonte: bons resultados em termos de geração de energia e redução da curva de carga;

Contribuição do sistema FV: duas formas – redução da curva de carga (setores centrais) e mini usina geradora (residencial);


CONCLUSÕES FINAIS

Mini usina geradora: energia complementar – não possuem área

de cobertura disponível;

Setores residenciais – horizontais-grande área de cobertura-pico noturno;

Setores Centrais – verticais- área de cobertura reduzida – pico diurno;

Setor Centro (Florianópolis): 12% da área de cobertura – 10% nível de penetração;


CONCLUSÕES FINAIS

Setor Hiper Centro (Belo Horizonte): 10% da área de cobertura – 10% nível de penetração;

Estudos nas duas regiões mostraram três casos de potencialidades – importância fundamental do estudo das características construtivas;

Inclinação e orientação das coberturas: não são fatores limitantes.

LIMITAÇÕES DO TRABALHO

Dificuldades na aquisição de informações (órgãos públicos);

Florianópolis: valores precisos de área de cobertura – estudo mais elaborado – quantificar a margem de erro;

Belo Horizonte: possui banco de dados referentes à área de cobertura; valores de corrente (alimentadores individuais) – descontinuidade – comprometem a precisão.


SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

Análises para qualquer centro urbano – todas as capitais do Brasil (Nordeste) – potencial energético;

Estudo preciso: metodologia de cálculo de sombreamento (cada hora do dia) – radiação varia;

Edificações de caráter público (setores estudados): quanto de energia FV seria necessária e a economia para a concessionária local.


SETOR JURERÊ

Percentuais de Suprimento do Consumo - Setor Jurerê

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100

200

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400

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600

Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez

Meses do Ano

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SETOR CENTRO

Percentuais de Suprimento do Consumo - Setor Centro

0

20

40

60

80

100

120

140

Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez

Meses do Ano

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