Projeto de Energia
O dessalinizador solar "SolarBanyu" pode ser utilizado desde pequenas escalas, como dessalinização residencial para consumo humano, até grandes projetos, voltados para o abastecimento do setor agropecuário, que detém grande importância no nosso país. Neste viés, buscou-se elaborar um projeto de energia que atendesse as demandas de escalabilidade em paralelo com a sustentabilidade, a partir da utilização de um Sistema Off-Grid, alimentado por módulos fotovoltaicos responsáveis pela geração de energia limpa e renovável, conforme demonstra a Figura abaixo.
Isso posto, a seguir será apresentado o conceito desse sistema, bem como a descrição dos componentes utilizados no presente projeto.
1. Sistema Off-Grid
O termo “Off-Grid” pode ser traduzido literalmente como “Fora da Rede”. Esse conceito pode ser aplicado nos casos energéticos de forma análoga, ou seja, ao tratar de Sistemas Off-Grid, diz-se que são sistemas sem interligações à rede elétrica básica, fornecidas, em sua maioria, pelas distribuidoras de energia elétrica. Além disso, pode-se dizer ainda que são sistemas autônomos, que trabalham de forma isolada, independente da rede de energia elétrica do local a ser instalado. Vale destacar ainda que estes sistemas utilizam a geração de energia acoplada a baterias, de modo que é possível manter o abastecimento em horários sem geração ou com pouca incidência de radiação, neste caso, à noite ou em dias nublados, visto que a geração é dada pela energia solar. (1)
Em um país com vastas dimensões como o Brasil, a utilização do Sistema Off-Grid visa a possibilidade de usufruir do dessalinizador em qualquer localidade do país, com destaque para as áreas remotas e de difícil acesso, bem como nas distantes áreas rurais exploradas pela agropecuária.
1.1 Módulos Fotovoltaicos
O efeito fotovoltaico foi observado pela primeira vez em 1839, por Alexandre Edmund Becquerel, e consiste na propriedade de alguns elementos em fornecer diferença de potencial (d.d.p) ao serem atingidos por raios de luz. (3) Dessa forma, ocorre uma conversão direta de radiação em eletricidade, observada em níveis atômicos. Em resumo, os materiais que possuem efeito fotoelétrico absorvem fótons de luz e, consequentemente, liberam elétrons, responsáveis por gerar a corrente elétrica. O material mais utilizado é o Silício, que passa por uma série de processos físico-químicos para atingir um elevado grau de pureza e, assim, ser aplicado para essa funcionalidade. (2)
Os módulos fotovoltaicos, portanto, utilizam desse efeito para geração de energia elétrica. Cada painel é composto por um conjunto de células fotovoltaicas, conectadas por condutores de cobre ou prata; cobertura frontal, responsável por fornecer resistência e impermeabilidade ao módulo; encapsulamento, que isola as células fotovoltaicas das coberturas frontal e posterior; cobertura posterior (backsheet), feito de material polimérico para impermeabilizar o módulo; e, por fim, os conectores, que conectam eletricamente as células fotovoltaicas. Vale ressaltar que os módulos fotovoltaicos geram energia elétrica em Corrente Contínua (CC).
1.2 Controlador de Carga
Os controladores de carga possuem a função de proteger a bateria ou o banco de bateria contra sobrecarga ou descarga profunda, decorrente de um longo período sem geração, com vistas a aumentar a vida útil da bateria presente no sistema. O controlador de carga é usado, geralmente, em sistemas pequenos, em que os aparelhos utilizados são de baixa tensão e funcionam em corrente contínua (CC). (4)
De modo geral, quando a bateria atinge plena carga, os controladores desconectam o gerador fotovoltaico e interrompem o fornecimento de energia, a fim de evitar a sobrecarga do sistema devido à geração maior do que a carga suportada pela bateria. Por outro lado, quando há pouca geração, este componente possui a função de isolar o resto do sistema para evitar que a bateria tenha uma profundidade de descarga elevada.
O dimensionamento do controlador de carga é feito a partir da tensão do sistema, em conjunto com a maior corrente exigida, seja ela fornecida pelos módulos fotovoltaicos ou consumida pelo sistema.
1.3 Bateria
Como apresentado anteriormente, o sistema off-grid exige a conexão de baterias para o efetivo armazenamento de energia, garantindo o pleno funcionamento do sistema em momentos com pouca ou nenhuma geração de energia elétrica, a partir dos processos de oxidação e redução.
As baterias são caracterizadas de acordo com o tipo de célula que as compõe, sendo a bateria de chumbo-ácido estacionária mais utilizada nos dias atuais, devido ao seu excelente custo-benefício em sistemas fotovoltaicos off-grid. Tem-se ainda a capacidade da bateria, definida como a quantidade de carga elétrica que ela pode fornecer ao longo de um determinado tempo e de forma constante, expressa em Ah (ampère-hora), ou seja, quantidade de Ampére fornecido durante o período de uma hora, nas condições de temperatura de 25º Celsius. Outra característica importante das baterias é seu ciclo de vida, que é o número de vezes em que a bateria pode ser descarregada e recarregada em profundidade, antes que sua vida útil seja esgotada. A figura abaixo demonstra a relação da profundidade de descarga e ciclos da bateria.
Como dito anteriormente, a utilização do controlador de carga é indispensável para aumentar a vida útil desse componente, não permitindo sobrecargas ou descargas profundas em curtos períodos. (5)
Dimensionamento do Sistema de Dessalinizador Solar Off-Grid
Para o pleno funcionamento do dessalinizador solar alimentado por um sistema de geração off-grid, é necessário efetuar o correto dimensionamento dos componentes, de modo a garantir sua usabilidade. Vale destacar que o dimensionamento feito no âmbito do projeto visa atender à demanda energética do protótipo. No entanto, os cálculos podem ser feitos de forma similar para sistemas em escalas maiores.
Componentes e Potência
É importante salientar que o filtro dessalinizador, bem como os demais componentes eletrônicos, operam em Corrente Contínua (CC), logo, não será necessária a utilização de inversores.
Abaixo, está a potência dos componentes utilizados no dessalinizador, em Watts (W), e a energia demandada, em QuiloWatt-hora (Wh), considerando um ciclo de 2,5h capaz de dessalinizar aproximadamente 20L de água, além da tensão, em Volts (V), e corrente, em Ampère (A), de operação dos componentes utilizados:
| Componentes | Potência (W) | Energia (Wh) | Tensão (V) | Corrente (A) |
|---|---|---|---|---|
| Sensor de PH | 0,5 | 1,25 | 5 | 0,01 |
| Sensor de Nível | 2,5 | 6,25 | 5 | 0,50 |
| Sensor de Temperatura | 0,2 | 0,01 | 5 | 0,04 |
| Sensor de Vazão | 0,075 | 0,19 | 5 | 1,00 |
| Microcontrolador - ESP32 | 5,0 | 12,5 | 5 | 1,00 |
| Módulo GPS | 8,0 | 20,0 | 4 | 1,00 |
| Bomba | 36,000 | 90,00 | 12 | 3,00 |
| Total | 51,825 | 129,56 |
Visto que a tensão de alimentação da bateria é de 12 Volts e há componentes com tensões inferiores de operação, serão necessários reguladores de tensão. Neste caso, serão utilizados 2 reguladores de tensão, que irão alimentar, respectivamente, o conjunto de sensores + ESP32, e o módulo GPS, conforme exempliifcado na figura abaixo:
Vale mencionar que os reguladores de tensão escolhidos para o projeto possuem eficiência de 92%, logo, será necessário um fornecimento maior para esses componentes, visando garantir a plena operação do dessalinizador pelo período estipulado anteriormemte. Com isso, a potência (W) e a energia demandada (Wh), considerando tal eficiência, é apresentada na tabela a seguir:
| Componentes | Potência (W) | Energia (Wh) |
|---|---|---|
| Regulador de Tensão 1 - sensores + ESP32 | 10,9 | 27,2 |
| Regulador de Tensao 2 - módulo GPS | 8,7 | 21,7 |
| Bomba | 36,0 | 90,00 |
| Total | 55,6 | 138,9 |
Determinação dos Módulos Fotovoltaicos
O sistema será abastecido por geração solar off-grid, portanto, é necessário estabelecer a irradiância global média do local a ser utilizado, que pode ser exemplificada como a taxa de energia total por unidade de área incidente numa superfície horizontal. Além disso, a irradiância global é a soma das irradiâncias direta e difusa que atingem o módulo fotovoltaico.
No presente caso, utilizou-se os dados disponibilizados pelo Centro de Referência para as Energias Solar e Eólica Sérgio de S. Brito (CRESESB) para a cidade de Brasília (DF), com as seguintes coordenadas geográficas:
Latitude: 15,801° S e Longitude: 47,849° O.
De acordo com a CRESESB, a irradiância média diária mensal é de 5,37 kWh/m².dia.
A partir desse valor, é possível obter a quantidade de horas em que há a incidência de radiação solar capaz de gerar energia através da divisão da irradiação do local obtida (kWh/m²) pelo valor padrão de 1000 W/m², com isso, é possível obter a quantidade de horas em que há a incidência de radiação solar capaz de gerar energia. A média de incidência solar é de 5,37 horas por dia.
Cálculo da Potência Mínima do Gerador
Isso posto, é possível realizar o cálculo do número de painéis fotovoltaicos que será necessário. Primeiramente, é necessário saber a potência mínima do gerador, que pode ser dado pela equação:
Onde:
\(P_{\text{mín}}\) = Potência mínima do gerador (Wp);
\(C_t\) = Energia que a carga solicita (Wh);
\(H_{\text{SP}}\) = Irradiação solar média diária (horas);
\(F_S\) = Fator de serviço;
O fator de serviço diz respeito as perdas do sistema, sobretudo pela presença de sujidades nos módulos fotovoltaicos, presença de nebulosidades e eventos climáticos que alterem a geração de energia a partir da radiação solar. Assim, considerou-se nesse projeto, cerca de 20% de perdas:
Cálculo do Número de Módulos Fotovoltaicos
Para minimizar os custos do projeto, foi utilizado o módulo fotovoltaico disponível na universidade,modelo Kyocera KC45, conforme descrição.
| Módulo Fotovoltaico Kyocera KC45 | Valores |
|---|---|
| Potência nominal | 45 W |
| Tensão de Máxima Potência | 15,0 V |
| Corrente de Máxima Potência | 3,0 A |
| Tensão em circuito aberto (Voc) | 19,2 V |
| Corrente de curto-circuito (Ioc) | 3,1 A |
| Eficiência do Módulo | 14% |
Para calcular a quantidade de módulos fotovoltaicos \(N\) necessários, utiliza-se a seguinte equação:
Onde: - \(P_{\text{mín}}\) é a potência mínima do gerador - \(P_{\text{mód}}\) é a potência do módulo fotovoltaico
Como \(P_{\text{mín}}\) é 32,34 W, o número de módulos necessários será:
Logo, será necessário apenas um painel fotovoltaico para suprir a demanda energética do projeto.
Determinação do Banco de Baterias
Os cálculos de dimensionamento da bateria levam em consideração o consumo de energia do sistema, o número de dias ou horas que se deseja que a bateria opere de forma autônoma, o nível de tensão do sistema, a profundidade de descarga da bateria e seu rendimento.
Neste caso, a bateria será responsável por armazenar a energia de um ciclo completo de dessalinização (2,5 horas). Conforme anteriormente exposto, a profundidade de descarga da bateria é inversamente proporcional a sua vida útil, portanto, quanto maior o nível de descarga, menor será a vida útil desse componente, como demonstrado na figura X. Assim, de modo a garantir uma maior vida-útil da bateria, utilizou-se uma profundidade de descarga de 30% e o rendimento universal de 90%. Por fim, a tensão do sistema foi definida em 12V, visto que é a tensão de alimentação da bomba de dessalinização e há uma maior oferta de modelos disponíveis no mercado.
Cálculo da Capacidade da Bateria
A capacidade da bateria \(C_{\text{bat}}\) pode ser calculada pela equação:
Onde \(E_{\text{arm}}\) é a energia armazenada na bateria e \(V\) é a tensão do sistema.
A energia armazenada é dada por:
Substituindo os valores e considerando um armazenamento de, aproximadamente, 40 minutos de funcionamento da bomba dessalinizadora, temos que:
A capacidade da bateria, portanto, é:
Deste modo, deve ser utilizada uma bateria com capacidade mínima de 12 Ah para garantir o pleno funcionamento de um ciclo de dessalinização com cerca de 40 minutos, de forma autônoma e sem a geração complementar de energia solar. Para isso, será utilizada a bateria da marca GetPower, modelo GP12-12, que atende as especificações observadas.
Dimensionamento do Controlador de Carga
O controlador de carga é responsável por gerenciar a energia que entra e sai da bateria, protegendo o sistema contra sobrecarga e descarga excessiva. O dimensionamento do controlador de carga depende das correntes máximas a que ele será exposto, tanto dos painéis fotovoltaicos quanto das cargas.
Os testes realizados em placas solares são feitos para condições de temperatura de 25 ºC e irradiância de 1000 W/m². No entanto, a variação da incidência solar pode ultrapassar essas condições, o que exige a aplicação de um fator multiplicativo de 125% sobre os valores nominais da corrente do módulo fotovoltaico. Deste modo, a corrente referente aos painéis será de 3,875 A, ante os 3,1 A descritos anteriormente. No que diz respeito às cargas, a corrente máxima será de 3 A, exigida da bomba de dessalinização.
Assim, visto que a tensão máxima do sistema é de 12V e a corrente máxima advém dos painéis fotovoltaicos, com cerca de 3,875A, além da potência total aproximada de 55,6W, é possível utilizar um controlador de carga do modelo Knup KP-AD10A, disponível nas dependendências da universidade, que possui as seguintes informações técnicas:
| Controlador de carga KP-AD10A | Valores |
|---|---|
| Tensão nominal | 12/24 V |
| Corrente Nominal | 10 A |
| Tensão PV Máxima | 50 V |
| Potência PV Máxima de Entrada (12V) | 130 W |
Dimensionamentos dos cabos
Outro fator relevante é o dimensionamento dos cabos a serem utilizados no projeto. Para isso, utilizou-se a Norma ABNT NBR 5410:2004, que dispõe sobre instalações elétricas de baixa tensão. Inicialmente, na Tabela 33 da norma, foi definido o método de referência a ser seguido. No presente projeto, escolheu-se o método de referência F, cujos cabos são apoiados sobre suportes horizontais. Posteriormente, a partir do método escolhido na Tabela 33, passa-se a analisar a máxima corrente suportada pelos diferentes diâmetros dos cabos, conforme apresenta a Tabela 38, que considera condutores de cobre e alumínio isolados por PVC.
Sabe-se que a soma das correntes dos componentes eletrônicos é de 6,55A, enquanto o painel fotovoltaico possui uma corrente nominal de 3,1A. Deste modo, para garantir maior segurança ao sistema, utilizou-se uma margem de 25% de segurança, o que forneceu uma corrente máxima do sistema de 12,0625A, conforme apresentado abaixo:
Assim, a partir da Tabela 38, é possível verificar que é necessário um cabo com seção de 0,75mm^2. Diante da dificuldade em encontrar cabos com tal seção, foram utilizados cabos de 1,5mm^2, amplamente comercializados, sem qualquer prejuízo ao projeto.
Referências
MONLEVADE, J. Trabalho de Conclusão de Curso ENERGIA SOLAR: ESTUDO DA GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ATRAVÉS DOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS ON-GRID E OFF-GRID Marliana de Oliveira Lage Alves. 2019. Disponível em: https://monografias.ufop.br/bitstream/35400000/2019/6/MONOGRAFIA_EnergiaSolarEstudo.pdf. Acesso em 05/11/2024.
SOPRAN, G.; ODINEY, R.; RODRIGUES, S. UNIEVANGÉLICA CURSO DE ENGENHARIA CIVIL. 2019. Disponível em: https://www.rincon061.org/bitstream/aee/8705/1/Gabriel%20Sopran%20e%20Odiney%20Silva.pdf. Acesso em: 5 nov. 2024.
PRIEB, César Wilhelm Massen. Desenvolvimento de um sistema de ensaio de módulos fotovoltaicos. 2002. Disponível em: https://lume.ufrgs.br/bitstream/handle/10183/2091/000363966.pdf?sequence=1. Acesso em 05/11/2024.
GUIMARÃES, A. P. C. et al. Manual de engenharia para sistemas fotovoltaicos. Ediouro Gráfica e Editora SA Edição Especial, Rio de Janeiro, Brasil, 2004. Disponível em: https://cresesb.cepel.br/publicacoes/download/Manual_de_Engenharia_FV_2014.pdf. Acesso em 05/11/2024.
BRUM, T. S. Projeto de Uso de Energia Fotovoltaica com Fonte Emergencial. Dissertação (Mestrado) — Universidade Federal do Rio de Janeiro, 2013. Disponível em: https://pantheon.ufrj.br/bitstream/11422/9509/1/monopoli10006178.pdf. Acesso em 05/11/2024.
Histórico de Versão
| Data | Versão | Descrição | Autores | Revisores |
|---|---|---|---|---|
| 28/11/2024 | 1.0 | Criação da documentação | Ana Carolina Monteiro | -- |
| 30/11/2024 | 1.1 | Adição de figura e histórico de versão | Flávia Nagata | -- |
| 30/11/2024 | 1.2 | Ajuste nas fórmulas de dimensionamento | Ana Carolina Monteiro | Mylena |
| 09/01/2025 | 1.3 | Ajustes adicionais para o Ponto de Controle 2 | Ana Carolina Monteiro | -- |
| 12/01/2025 | 1.3 | Alteração dos cálculos no dimensionamento da bateria | Ana Carolina Monteiro | -- |