REGISTRO DOI: 10.69849/revistaft/cs10202410081927
Herson Pinheiro de Souza1
Maria dos Anjos Fernandes Pacheco2
RESUMO
Este trabalho tem como objetivo trazer um estudo sobre fontes de energias renováveis por meio da energia solar e energia eólica, com o intuito de independência energética e ganho financeiro no orçamento doméstico de uma família. Utilizaremos duas fontes de energia juntas de formas híbridas, ou seja, simultâneas no mesmo banco de baterias e mesma carga de uma residência trazendo economia na fatura de energia de uma família de baixa renda. Nos últimos anos a energia elétrica vem ficando mais cara e com o aumento do CO2 e o aquecimento global, o mundo está passando por diversas transformações. A energia elétrica por fontes renováveis está sendo a opção no século XXI.
Palavras-Chave: Energia Renovável, Sistema Híbrido, Economia de Energia.
INTRODUÇÃO
A energia elétrica por fontes renováveis está sendo uma opção para famílias e empreendedores no século XXI, buscando principalmente o retorno financeiro e contribuindo para o meio ambiente com a eliminação de Gás Carbônico.
“A energia solar off grid é a fonte de energia captada através de paineis solares confeccionados na forma de células de materiais semicondutores”(VIANA, 2022, P. 1) de silício fazendo com que os elétrons dos átomos se movimentam gerando uma corrente elétrica através da luz solar, sendo assim essa energia é armazenadas em baterias ou consumidas de forma instantânea, são utilizados equipamentos como controladores de carga MPPT para um melhor aproveitamento de geração solar no arranjo fotovoltaico rastreando um ponto maior de potência e um inversor de frequência para transformação de correntes CC para correntes CA para alimentação de eletrodomésticos e outros equipamentos convencionais que conhecemos.
A energia eólica é uma fonte de energia renovável obtida pelos “movimentos do vento para gerar eletricidade através de motores como turbinar, o motor transforma a energia cinética em energia mecânica essa energia é transmitida através de uma caixa retificadora para controlar a tensão e corrente e conversão de CA para CC”(ANTÓNIO, 2011, P. 51) para as baterias e um inversor de frequência para transformação de correntes CC para correntes e tensão CA para alimentação de eletrodoméstico e outros equipamentos convencionais que conhecemos.
O sistema híbrido é a utilização dessas duas fontes de energias, elas serão utilizadas para um melhor desempenho da microgeração em uma residência unifamiliar ambas produzindo energia simultâneas pelo período do dia e a noite, utilizaremos geração eólica através do sistema eólico e geração solar através de paineis solares.
JUSTIFICATIVA
O sistema híbrido traz economia para os clientes conectados à rede de distribuição por meio de energia limpa e renovável. Este trabalho se dá a relevância em virtudes do alto índice de emissão dos gases carbônicos que vem acontecendo no planeta. E pela instabilidade do preço da energia elétrica no País. “Diante disso, a queima de combustíveis fósseis representa um grande retrocesso, pois é a principal fonte de impactos ambientais ocasionando agravamento do efeito estufa, derretimento de calotas polares, poluição do ar, entre outros” (SILVA, 2022, P. 01).
No Brasil a energia solar está em fase de crescimento com grande potencial na matriz energética do País. No período de 2015 a 2023 no estado do Amazonas região norte do Brasil, identifica-se um crescimento de instalações de sistemas fotovoltaicos, análise realizada pelo sistema de Geração Distribuída (SISGD) no site da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) plataforma on line acessível ao público geral.
OBJETIVOS
Este trabalho tem como objetivo analisar o impacto da implantação de 02 (dois) sistemas que atuam de forma híbrida (energia solar fotovoltaica off grid de energia eólica) na fatura de energia elétrica em uma residência unifamiliar localizada na cidade de Manaus com 05 (cinco) moradores.
MATERIAIS E MÉTODOS
Neste artigo foi realizado o estudo da implantação do sistema de energia solar off grid e sistema eólico em uma residência unifamiliar, experimental baseado no consumo em kWh/mês de uma família na cidade de Manaus com 05 (cinco) moradores. Dentre os materiais utilizados estão paineis solares, controladores de carga, baterias e um gerador eólico entre outros. O estudo obedeceu ao fluxo apresentado na Figura 1.
Figura 1: Etapas de desenvolvimento da pesquisa.
A referida residência foi selecionada tendo em vista uma família em busca de ter redução de custos na renda familiar para cumprir o pagamento da energia consumida pela rede de distribuição da concessionária, a residência possui 4 cômodos e 1 banheiro.
O estudo foi desenvolvido utilizando a fatura de energia de consumo da residência unifamiliar localizada na cidade de Manaus/AM. O sistema será instalado em cargas baixas da residência, a mesma será instalada no circuito do banheiro, quarto 1, quarto 2, sala de jantar e área externa da residência, as cargas altas como cozinha e ar condicionados foram excluídas do sistema devido ao alto valor agregado em equipamentos para o start do sistema.
Figura 2: Croqui de planta baixa em 2D da residência unifamiliar
O sistema foi instalado seguindo o datasheet e recomendações da instalação dos equipamentos adquiridos e foi utilizado também os parâmetros de utilização da norma NBR 5410.
Desta forma foi dado start no sistema para utilização do sistema híbrido para economia de consumo de energia elétrica da residência com consumo parcial da concessionária de energia elétrica Amazonas Energia o resultado foi impactado diretamente na fatura de energia mensal. Os resultados da economia em valor financeiro e consumo em kWh/mês pode ser acompanhado na fatura de energia disponibilizado pela concessionária.
O sistema híbrido foi apresentado tendo em vista uma alternativa de redução de custo no consumo de energia elétrica de uma família e um conforto energético melhor para utilização dos ar condicionados da residência e outros eletrodomésticos. O sistema híbrido foi selecionado como uma melhor eficiência comparado aos sistemas solares off grid.
Nesse sentido, o estudo foi desenvolvido seguindo o método proposto, para a independência energética e contribuição ao meio ambiente. Utilizando o sistema solar off grid e sistemas de energia eólica.
Seguindo o estudo desenvolvido foi confeccionado um protótipo onde pode-se avaliar a montagem do sistema e avaliação do seu desempenho fazendo a combinação das 2 alternativas de energia sustentável chamando de sistema híbrido. A configuração do sistema proposto pode ser observada pelo diagrama unifilar por meio da Figura 3.
Figura 3: Diagrama unifilar do Sistema Híbrido
Com base nos resultados do desempenho do sistema foram realizados ajustes nos parâmetros de tensão e potência do inversor de frequência para utilização da carga da residência.
O sistema solar off grid foi construído utilizando 4 Baterias de 150 A de chumbo ácido, 2 paineis solares de 380W, 2 paineis de 550W e 2 paineis de 330W, 3 controladores de cargas e 1 inversor de frequência de 2000W onda senoidal pura. O sistema eólico foi construído com dois motores com neodímio, reaproveitando os enrolamentos de cobre do motor de ventilador, 2 caixa retificadora.
O sistema eólico foi posicionado em frente às condensadoras de ar condicionado split de 12.000 btu’s para aproveitar o sistema de resfriamento do gás do ar condicionado e assim utilizando o conceito de energia eólica transformação de energia cinética para energia mecânica.
As baterias do sistema foram ligadas em série e paralelo com tensão do circuito em 24V o sistema foi ligado neste formato tendo em vista a parte econômica no dimensionado dos cabos das baterias aos controladores de cargas, assim obedecendo a NBR 5410. Os raios solares são captados pelos paineis solares com base nas suas capacidades de geração em tensão, corrente e potência e essa energia é transportada pelo fio condutor de 6mm² 1kV até o controlador de carga MPPT, dimensionado pela tensão máxima, corrente e potência. O mesmo foi utilizado pelo sistema eólico para alimentação do sistema.
Nas baterias são ligados os fios condutores de 10mm² PVC ao inversor de 2000W e em seguida ligado a chave ATS (Chave de transferência Automática) posteriormente ligado ao quadro de distribuição da residência. A chave ATS tem a função de monitorar o sistema quando há uma perda na geração solar e eólica, monitorando a tensão do circuito com faixa de mínima de descarregamento das baterias até 22,5V quando o sistema chega nesta faixa de tensão mínima a chave ATS é autuada de forma automática para a energia da concessionária e logo que o sistema é recarregado e chega na faixa de tensão 26,5V a chave ATS atua para a energia do sistema híbrido assim não utilizando a energia da concessionária.
O cálculo de tempo de funcionamento foi realizado com base na potência dos paineis e o consumo da residência obtida pelo controle de consumo da concessionária (conta de energia). Desta forma foi possível calcular o dimensionamento dos paineis e outros equipamentos, tendo em vista que no período noturno não há geração solar foi instalado o sistema eólico para retro alimentar o sistema utilizando a ventilação que é gerada pela utilização dos ar condicionados no período noturno e dependendo do consumo de outros equipamentos ligados ao sistema Off Grid foi instalado uma fonte de carregamento de baterias de 30Ah assim evitando o descarregamento aprofundado das baterias no período noturno.
O sistema possui um controle de monitoramento de consumo de energia efetuado por dispositivos inteligentes (Positivo e Sonoff) na tomada de alimentação da ATS, rede da concessionária e fonte de carregamento de baterias.
Figura 4: Monitoramento de consumo de energia do sistema
“Posteriormente, com base em projeto desenvolvido considerando os parâmetros do protótipo e a residência objeto de estudo, foi possível adaptar o custo do protótipo para uma escala real” (PEREIRA, 2017, P7). Os sistemas foram utilizados com base no conceito ecológico e energia sustentável.
Os materiais mencionados foram obtidos através de cotações em distribuidores locais e vendas na internet o preço foi consideravelmente alto. Mas na análise realizada através de payback a estimativa de retorno econômico é de 3 anos e 5 meses.
Figura 5: Orçamento para implantação do Projeto Híbrido em residência com 5 moradores.
RESULTADO
O estudo foi realizado na residência localizada na Zona Norte de Manaus/AM. Os sistemas foram instalados na área externa da residência como mostra na Figura 6 e Figura 7.
Figura 6: Sistema solar off grid
Figura 7: Sistema eólico motor modificado com Neodímio
Resultados de consumo de energia podem ser observados por meio do gráfico retirado da base de dados da concessionária de energia na Figura 8.
Figura 8: Dados da concessionária
Foi constatado por meio dos resultados e estudo que houve uma redução no consumo de energia registrada da concessionária na residência unifamiliar, O sistema híbrido mostrou-se adequado para a utilização na residência selecionada pois, houve resultado satisfatório trazendo economia para a família, uma redução de 27% em kWh/mês e uma economia mensal em R$ 101,34. Com a redução, a família teve um aumento no conforto energético melhor.
CONCLUSÃO
Conclui-se que por meio do estudo desenvolvido e testes realizados pelo sistema proposto no protótipo e na residência unifamiliar escolhida o sistema híbrido apresenta viabilidade econômica com redução de consumo de energia oferecida pela rede de distribuição da concessionária local. Não havendo necessidade de manutenção do sistema no período de desenvolvimento da pesquisa, mas estima – se revisão do sistema como manutenção preventiva no período de 6 meses, mesmo tendo em vista que foi seguido a norma brasileira NBR 5610. Desta forma holística o sistema pode contribuir com a redução do CO2 na atmosfera, haja vista que o consumo de energia elétrica da concessionária é obtida por queima de combustíveis e hidroelétricas.
REFERÊNCIAS
https://periodicorease.pro.br/rease/article/view/4654
https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/255886
https://www.gov.br/aneel/pt-br/assuntos/geracao-distribuida
https://bdm.ufpa.br/handle/prefix/6882
https://repositorio-aberto.up.pt/bitstream/10216/61482/1/000148786.pdf
https://brasilescola.uol.com.br/fisica/energia-eolica.htm
1Graduando em Engenharia Elétrica pela Universidade Nilton Lins – UniNiltonLins. E-mail: herson.pinheiro@gmail.com
2Especialista em Engenharia Eletricista pela Universidade Estadual do Amazonas – UEA/AM. E-mail: ma.dp@uol.com.br