SIZING OF AN OFF-GRID PHOTOVOLTAIC GENERATION SYSTEM FOR LIGHTING TOWERS
REGISTRO DOI: 10.69849/revistaft/ra10202501231101
Bruno Batista Teodoro Da Silva1
Thais Rodrigues De Freitas2
Kátia Lopes Silva3
Mauro Hemerly Gazzani4
RESUMO
A energia solar fotovoltaica é uma fonte renovável que converte a luz solar em eletricidade. As torres de iluminação solar são uma solução econômica e sustentável em áreas remotas sem acesso à rede elétrica. Este trabalho aborda o dimensionamento de um sistema fotovoltaico off-grid, para a demanda energética de uma torre de iluminação para frentes de colheita de cana de açúcar. A substituição de um protótipo existente proveniente de geração a diesel será avaliada levando-se em conta os parâmetros técnicos e de segurança na seleção dos componentes adequados. Os custos de implantação são significantes, com painéis solares e baterias sendo os componentes mais caros. A comparação entre sistemas revelou diferenças importantes, como o superdimensionamento desnecessário e a inadequação dos componentes utilizados. O dimensionamento adequado garante fornecimento contínuo de energia, atendendo às normas regulamentadoras.
Palavras-chave: Energia solar fotovoltaica. Torres de iluminação. Projetos off-grid.
ABSTRACT
Photovoltaic solar energy is a renewable source that converts sunlight into electricity. Solar lighting towers are an economical and sustainable solution in remote areas without access to the electrical grid. This paper addresses the dimensioning of an off-grid photovoltaic system to meet the energy demand of a lighting tower for sugarcane harvesting fronts. The replacement of an existing diesel-powered prototype will be evaluated considering technical and safety parameters in the selection of appropriate components. Implementation costs are significant, with solar panels and batteries being the most expensive components. Comparison between systems revealed important differences, such as unnecessary oversizing and inadequate components used. Proper sizing ensures continuous energy supply, complying with regulatory standards.
Keywords: Photovoltaic solar energy. Sustainability. Off-grid sizing.
1 INTRODUÇÃO
A energia solar fotovoltaica é uma das fontes limpas e renováveis onde seu uso mais cresce em todo o mundo, ela utiliza painéis solares para realizar a conversão da luz do sol em eletricidade. Seu potencial de utilização é enorme no mundo inteiro, especialmente em regiões onde a radiação solar possui altos níveis. A tecnologia avançou muito nos últimos anos, tornando essa fonte de energia uma opção eficiente, atraente e viável em relação à eletricidade convencional.
Um dos campos de aplicação da energia solar fotovoltaica é em áreas remotas e isoladas, onde o acesso à rede elétrica é limitado ou inexistente. Nesse contexto, as torres de iluminação surgem como uma solução eficiente e sustentável, fornecendo iluminação adequada para diversas aplicações. Além disso, são mais econômicas e ecológicas, comparadas com as torres de iluminação a diesel.
O sistema off-grid é fundamental para viabilizar a utilização das torres de iluminação em áreas remotas e sem acesso à rede elétrica. A torre de iluminação solar é composta por poste vertical com refletores LED (Light Emitting Diode), painéis solares, baterias e controladores de carga.
Os painéis solares são estrategicamente posicionados para receber a máxima exposição solar ao longo do dia, otimizando a captação de energia. Eles captam a luz solar e armazenam a energia em baterias para alimentar os refletores LED, permitindo a iluminação durante a noite ou em locais com baixa luminosidade. Já os controladores de carga gerenciam e controlam o fluxo de energia entre os painéis solares, baterias e refletores LED, garantindo uma operação eficiente e prolongando a vida útil do sistema. O conjunto de componentes contribui para a redução do consumo de energia e preservação do meio ambiente.
Este trabalho tem como objetivo principal o dimensionamento de um sistema fotovoltaico off-grid, para a demanda energética de uma torre de iluminação para frentes de colheita de cana de açúcar. A substituição de um protótipo existente proveniente de geração a diesel será avaliada levando-se em conta os parâmetros técnicos e de segurança na seleção dos componentes adequados. Espera-se apresentar uma solução de um sistema off-grid mais eficiente para substituição da instalação existente promovendo a transição para um sistema mais confiável.
2 ESTADO DA ARTE
De acordo com estudo de Ribeiro (2020), foi desenvolvido um projeto de sistema fotovoltaico off-grid para um veículo de recreação (motorhome), dimensionando o projeto para que todos os componentes eletrônicos funcionem de forma adequada a sua rotina. Nesse contexto, o surgimento das energias renováveis se dá como uma alternativa ao uso racional da energia uma vez que promove a diversificação dos sistemas energéticos.
Segundo Módulo (2019), foi abordado um estudo paramétrico dos componentes de um sistema fotovoltaico experimental de acionamento de um motor elétrico (sistema de bombeamento) a fim de estudar um sistema de fornecimento de ar comprimido para acionamento de um tubo de vórtice.
Segundo Costa (2022), demonstrou a viabilidade de utilização de um sistema solar fotovoltaico off-grid, para operação de bombeamento de água principalmente nas zonas rurais.
Menezes Neto (2023) realizou um estudo de previsão de custos e os equipamentos necessários para a implementação de um sistema de energia fotovoltaica, além de analisar alternativas tradicionais de financiamento, fazendo uma comparação entre os métodos convencionais e a criação de um fundo colaborativo.
Por fim, Ribeiro (2023), analisou a viabilidade dos sistemas de geração fotovoltaica on-grid e off-grid, realizando uma comparação de custo por kWh gerado entre os dois sistemas.
3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
3.1 Torres de Iluminação
A torre de iluminação é um equipamento utilizado para iluminar grandes áreas de trabalho, como canteiros de obras, locais de mineração, eventos ao ar livre, entre outros. Geralmente, essas torres são compostas por uma estrutura elevada que suporta várias lâmpadas ou projetores de luz, capazes de fornecer uma iluminação intensa e direcionada.
As torres de iluminação costumam ser portáteis, o que permite que elas sejam facilmente transportadas de um local para outro. Além disso, muitas torres de iluminação são equipadas com geradores para fornecer energia elétrica, tornando-as independentes da rede elétrica convencional.
As torres de iluminação são fundamentais para garantir a segurança e a produtividade em diversos tipos de trabalhos noturnos ou em ambientes com pouca luz natural. Elas também podem ser utilizadas em eventos ao ar livre para proporcionar uma iluminação adequada e criar uma atmosfera mais agradável para os participantes. A Figura 1 mostra um modelo de torre de iluminação.
Figura 1 – Torre de Iluminação
Fonte: MTower Indústria. (s.d.) (2023)
3.2 Energia Elétrica
A eletricidade desempenha um papel fundamental no apoio dos padrões de vida modernos em todo o mundo, uma vez que a demanda energética de um país está diretamente relacionada com seu desenvolvimento (LINS, 2018). O crescente aumento da demanda por energia, aliado à possibilidade de redução da oferta de combustíveis convencionais e à crescente preocupação com a preservação do meio ambiente, está impulsionando a comunidade científica a buscar fontes alternativas de energias renováveis, menos poluentes e com menor impacto ambiental.
A EPE (Empresa de Pesquisa Energética) (2022, p. 39) demonstra no Quadro 1 que “a capacidade instalada em 2021 apresentou um aumento de 3,9% em relação a 2021, com destaques solar de 40,9%”.
Quadro 1 – Variações da capacidade instalada das fontes no parque gerador (GW)
Fonte: EPE (2022)
3.3 Irradiação Solar
O Brasil possui uma localização geográfica privilegiada, com extensas áreas de níveis de radiação e também, por sua posição estratégica próxima à linha do Equador. Segundo Villalva e Gazoli (2012, p. 45):
Uma grandeza empregada para quantificar a radiação solar é a irradiância, geralmente chamada também de irradiação, expressa na unidade de W/m2 (watt por metro quadrado). Trata-se de uma unidade de potência por área. Como se sabe, a potência é uma grandeza física que expressa à energia transportada durante certo intervalo de tempo, ou a taxa de variação da energia com o tempo. Quanto maior a potência da radiação solar, mais energia ela transporta em um determinado intervalo de tempo.
Essa irradiação abundante e constante oferece uma fonte valiosa de energia renovável, capaz de impulsionar o setor energético. De acordo com a Figura 2, pode-se observar a variação de irradiação global em uma superfície horizontal em todo o território brasileiro.
Figura 2 – Total diário da irradiação global horizontal – Média Anual
Fonte: Atlas Brasileiro de Energia Solar (2017)
Conforme demonstrado no território brasileiro, a Figura 3 apresenta a distribuição média anual da radiação solar global diária em Minas Gerais. Essa representação revela as variações da radiação solar ao longo do ano, mostrando a quantidade média de energia solar recebida por dia em diferentes regiões do estado. Ao analisar, é possível observar que a radiação solar varia entre 4,5 e 6,5 kWh/m²/dia em Minas Gerais.
Essa distribuição da radiação solar em Minas Gerais reflete a importância do estado como uma área propícia para aproveitar a energia solar.
Figura 3 – Radiação Solar Média Diária Anual
Fonte: CEMIG (2012)
3.4 Energia Solar no Brasil
O aproveitamento da energia gerada pelo Sol, inesgotável na escala terrestre de tempo, dado como fonte de calor quanto de luz, é hoje uma das alternativas energéticas mais promissoras para prover energia necessária ao desenvolvimento humano. (PINHO e GALDINO, 2014, p. 57)
O investimento de um país no desenvolvimento de energia solar proporciona diversos benefícios em longo prazo, possibilitando a disponibilização de energia elétrica para regiões remotas nas quais o acesso à rede convencional de distribuição é de alto custo, regulando a oferta de energia em períodos de estiagem, diminuindo a dependência da energia proveniente de combustíveis fósseis e reduzindo as emissões de gases poluentes à atmosfera. (LINS, 2018, p. 20)
Em 2021, a micro e minigeração distribuída (MMGD) no Brasil, com base em geração solar fotovoltaica, registrou uma capacidade instalada de 8.771 MW e uma geração de 9.019 GWh, representando 88,3% do total, conforme mostrado na Figura 4. A energia solar fotovoltaica foi a principal fonte responsável pelo aumento registrado na MMGD (EPE, 2022).
Figura 4 – Participação das Fontes Energéticas
Fonte: EPE (2022)
A geração solar atingiu 16,8 TWh (geração centralizada e MMGD), o que representou um avanço de 55,9% em relação ao ano anterior. Com isso, a participação de renováveis na matriz elétrica ficou em 78,1% em 2021 (EPE, 2022).
3.5 Energia Solar Fotovoltaica
Adicionalmente, para fins de engenharia, é possível abordar de forma mais simplificada a energia solar fotovoltaica. Através do uso de tecnologia fotovoltaica, é possível prover energia elétrica por meio de sistemas de geração.
Os sistemas fotovoltaicos, são instalações feitas com o propósito de coletar e tornar disponível essa energia proveniente do sol em forma de radiação, transformando-a em energia elétrica. (RIBEIRO, 2020, p. 6)
A captação da tecnologia fotovoltaica (Figura 5) pelos painéis ou módulos solares é baseada no princípio do efeito fotovoltaico. Segundo Pinho e Galdino (2014):
[…] o efeito fotovoltaico, primeiramente descoberto por Edmond Becquerel, em 1989, implica a diferença de potencial nos terminais de uma célula eletroquímica causada pela absorção de luz.
Neste sentido:
[…] é na célula fotovoltaica ou solar que através do processo denominado de efeito fotovoltaico, ocorre à conversão de energia solar em energia elétrica, conforme incide de radiação solar, elétrons são deslocados circulando livremente de átomos para átomos formando uma corrente elétrica (COSTA, 2022).
Figura 5 – Geração Fotovoltaica em Parques de Sarnia (Canadá)
Fonte: CEMIG (2012)
3.6 Células Fotovoltaicas
É na célula fotovoltaica ou solar que através do processo denominado de efeito fotovoltaico, ocorre à conversão de energia solar em energia elétrica, conforme incide de radiação solar, elétrons são deslocados circulando livremente de átomos para átomos formando uma corrente elétrica. (COSTA, 2022, p. 15)
Diversas tecnologias de fabricação de células fotovoltaicas foram desenvolvidas nos últimos 60 anos e as células fotovoltaicas (Figura 6) fabricadas a partir de lâminas de silício cristalino (monocristalino ou policristalino) dominam o mercado mundial atualmente (PINHO e GALDINO, 2014).
Figura 6 – Célula fotovoltaica
Fonte: Pinho e Galdino (2014)
3.7 Módulos Fotovoltaicos
Segundo Pinho e Galdino (2014), um módulo fotovoltaico é composto por células fotovoltaicas conectadas em arranjos para produzir tensão e correntes suficientes para utilização prática da energia, ao mesmo tempo em que promove a proteção das células.
Os módulos fotovoltaicos podem ser conectados em arranjos em série e/ou paralelo, dependendo das correntes e tensões desejadas, a fim de formar painéis fotovoltaicos com potência aumentada. Ao determinar a configuração dos módulos, é crucial obter informações sobre a instalação pretendida e os componentes a serem utilizados, garantindo assim que as tensões e correntes resultantes sejam plenamente compatíveis com esses componentes. Os componentes de um módulo fotovoltaico podem ser observados na Figura 7.
Figura 7 – Componentes de um módulo fotovoltaico.
Fonte: Villalva e Gazoli (2012)
Uma prática recomendada para a instalação de um módulo solar fixa, sem um sistema de rastreamento solar, é posicionar o módulo com sua face voltada para o norte geográfico (VILLALVA e GAZOLI, 2012). Por esse motivo, maximiza a produção média diária de energia. Também, ajustar o ângulo de inclinação correto do módulo com relação ao solo para otimizar a produção de energia ao longo do ano (VILLALVA e GAZOLI, 2012).
3.8 Sistemas Fotovoltaicos
Os tipos de sistemas fotovoltaicos podem ser classificados em duas categorias: isolados e conectados à rede. Em ambas as situações, os sistemas podem operar exclusivamente com a fonte fotovoltaica ou podem ser combinados com uma ou mais fontes de energia, conhecidos como sistemas híbridos. A escolha entre essas opções depende da aplicação específica e/ou da disponibilidade dos recursos energéticos em questão. Essa seleção é baseada nas necessidades individuais e nas condições de cada projeto, visando maximizar a eficiência e a viabilidade do sistema.
3.8.1 Sistemas Conectados à Rede
Os sistemas fotovoltaicos conectados à rede ou on-grid (Figura 8) dispensam o uso de acumuladores, pois a energia por eles produzida pode ser consumida diretamente pela carga, ou injetada diretamente na rede elétrica convencional, para ser consumida pelas unidades consumidoras conectadas ao sistema de distribuição. Estes sistemas são basicamente de um único tipo e são aqueles em que o gerador fotovoltaico representa uma fonte complementar ao sistema elétrico ao qual está conectado (PINHO e GALDINO, 2014).
Figura 8 – Sistema fotovoltaico conectados à rede ou on-grid
Fonte: Revista Potência (s.d.) (2023)
3.8.2 Sistemas Fotovoltaicos Isolados
De acordo com Lins (2018, p. 26), nos sistemas fotovoltaicos isolados ou off-grid, que são isolados da rede elétrica convencional, a energia gerada é consumida diretamente e qualquer excesso é armazenado utilizando unidades de controle de carga. O sistema off-grid (Figura 9), também é conhecido como sistema autônomo e que opera de forma independente da rede elétrica convencional. Nesse tipo de sistema, a energia é gerada por painéis solares fotovoltaicos e armazenada em baterias para uso posterior. Geralmente, um controlador de carga é utilizado para regular o fluxo de energia entre os painéis solares e as baterias, garantindo uma carga adequada e protegendo contra sobrecargas ou descargas excessivas.
Figura 9 – Sistema fotovoltaico isolados à rede ou off-grid
Fonte: Revista Potência (s.d.) (2023)
3.8.3 Sistemas Fotovoltaicos Híbridos
Os sistemas fotovoltaicos híbridos (Figura 10), Ribeiro et al (2016 apud PEREIRA & OLIVEIRA, 2011) definem que a associação de sistemas fotovoltaicos com demais fontes de energia fundamenta-se no sistema híbrido. O seu maior benefício é proporcionar eletricidade (armazenada nas baterias), na privação de sol, ou seja, em dias de baixa, ou nenhuma, geração. No entanto, é apontado como um sistema complexo, já que necessita integrar diversas formas de produção de energia elétrica.
Figura 10 – Sistema fotovoltaico híbrido
Fonte: Pinho e Galdino (2014)
3.9 Componentes do Sistema Fotovoltaico
No processo de geração de energia, apenas o módulo fotovoltaico não garante o aproveitamento da energia solar. Logo, um sistema fotovoltaico (Figura 11) é composto por três componentes principais: gerador fotovoltaico, controle e condicionamento de energia e, se necessário, um bloco de armazenamento ou inversão, seja on-grid ou off-grid.
Portanto, é indispensável à associação de uma variedade de componentes projetados para facilitar a distribuição da energia gerada até a consumação.
Figura 11 – Componentes do sistema fotovoltaico
Fonte: Pinho e Galdino (2014)
3.9.1 Baterias
As baterias eletroquímicas são uma importante forma de armazenamento de energia que pode ser utilizada em sistemas fotovoltaicos, pois elas são capazes de transformar diretamente energia elétrica em energia potencial química e posteriormente converter, diretamente, a energia potencial química em energia elétrica” (SEGUEL, 2009, p. 21).
As baterias, como mostrado na Figura 12, podem ser ordenadas com base no tipo de célula que as compõe, sendo recarregáveis (secundárias) e não recarregáveis (primárias).
As células primárias compõem as baterias que podem ser utilizadas apenas uma vez. Por outro lado, as células secundárias compõem as baterias recarregáveis, ou seja, aquelas que podem ser carregadas com o auxílio de uma fonte de tensão ou corrente, e reutilizadas várias vezes. São comumente chamadas de “acumuladores” ou “baterias de armazenamento” e são úteis na maioria das aplicações por longos períodos, como por exemplo, em sistemas fotovoltaicos (PINHO e GALDINO, 2014).
“A capacidade de uma bateria é a quantidade de carga elétrica, expressa em Ampère-hora (Ah)” (SEGUEL, 2009, p. 23).
Figura 12: Vista explodida mostrando as principais partes constituintes de uma célula eletroquímica
Fonte: Pinho e Galdino (2014)
3.9.2 Controlador de carga
Os sistemas fotovoltaicos com baterias devem obrigatoriamente empregar um controlador ou regulador de carga. O controlador de carga é o dispositivo que faz a correta conexão entre o painel fotovoltaico e a bateria, evitando que a bateria seja sobrecarregada ou descarregada excessivamente (VILLALVA e GAZOLI, 2012, p. 110).
O controlador de carga (Figura 13) é responsável por monitorar o valor da tensão nos terminais da bateria e impedir que continue sendo carregada quando a tensão de carga é atingida. Para evitar a sobrecarga, o controlador de carga desconecta o painel solar do sistema quando a bateria atinge seu nível máximo.
Figura 13: Modo de utilização de um controlador de carga
Fonte: Villalva e Gazoli (2012)
Portanto, é necessário conectar todos os componentes do sistema ao controlador. É crucial evitar a conexão direta do módulo solar à bateria, pois com a ausência do controlador de carga pode resultar em danos às baterias e em uma redução significativa de sua vida útil.
3.10 Geradores a Diesel
Em áreas remotas e isoladas, é comumente utilizado o grupo gerador a diesel como a principal fonte de geração de energia elétrica.
No entanto, este tipo de sistema apresenta um alto custo operacional, em função da manutenção do grupo gerador e do consumo e transporte do óleo diesel, que ainda é maximizado quando as comunidades atendidas se localizam em áreas extremamente afastadas dos centros urbanos, convivendo com condições precárias de acesso. Devido a esse alto custo operacional, muitos desses sistemas operam em condições precárias de manutenção e fornecimento do combustível” (PINHO e GALDINO, 2014, p. 262).
As torres de iluminação (Figura 14) e os geradores a diesel são frequentemente combinados para fornecer iluminação temporária. Os geradores fornecem a energia elétrica necessária para alimentar as torres de iluminação. Eles são responsáveis por converter energia mecânica em energia elétrica por meio de um motor a diesel acoplado a um alternador.
Portanto, é importante ter em mente que os geradores a diesel são de caráter socioambiental, associadas ao transporte do óleo diesel, a possíveis vazamentos, à emissão de gases poluentes e à produção de ruído (PINHO e GALDINO, 2014).
Figura 14 – Torre de Iluminação acoplada a geradores a Diesel
Fonte: Hernandes (2022)
4 MATERIAIS E MÉTODOS
A metodologia apresentada nesse artigo foi baseada em dois artigos. O primeiro deles é o estudo realizado por Ribeiro (2020), intitulado “Dimensionamento de um sistema fotovoltaico off-grid em um motorhome” apresentando um passo a passo sobre o dimensionamento de sistema fotovoltaico off-grid para motorhome.
O segundo é o artigo “Dimensionamento de Sistema Solar Off-Grid com Monitoramento de Energia para Área Rural” (DIAS et al., 2022). Esse estudo trouxe informações relevantes sobre o dimensionamento de sistema fotovoltaico off-grid para áreas rurais.
Os artigos fornecem uma abordagem sistemática para o cálculo preciso do dimensionamento de um sistema off-grid, estabelecendo uma base confiável para o desenvolvimento e implementação de projetos de torres de iluminação solar. Esses artigos apresentam um passo a passo detalhado dos cálculos necessários, garantindo resultados precisos e confiáveis no dimensionamento do sistema.
Os componentes do sistema fotovoltaico off-grid instalados nas torres de iluminação foram dimensionados de forma a alcançar uma eficiência satisfatória na conversão da energia solar em iluminação por meio de refletores. Esse dimensionamento garante uma relação adequada entre a energia fornecida pela fonte solar e a capacidade de iluminação das torres, atendendo às necessidades de iluminação de forma eficiente.
4.1 Análise de consumo
No dimensionamento do sistema fotovoltaico da torre de iluminação, é necessário realizar uma análise para determinar o consumo diário e mensal estimado de energia elétrica necessária. Nessa análise o refletor LED de 50 Watts é o equipamento utilizado devido às suas características de alta eficiência energética, durabilidade e capacidade de fornecer uma iluminação intensa e direcionada. Os refletores LED com tensão de 12 VCC (tensão em corrente contínua) são comumente utilizados em sistemas autônomos que dependem de baterias de 12 V. No sistema projetado não é necessário a utilização de um inversor, eliminando essa necessidade, é reduzida as perdas de energia que ocorrem durante a conversão de CC (corrente contínua) para CA (corrente alternada).
Os refletores LED são conhecidos por emitir uma luz branca intensa, proporcionando uma iluminação clara e nítida. Eles são projetados com índice de proteção IP66, onde são protegidos contra entrada de poeira e são resistentes a jatos potentes de água, garantindo que o refletor seja capaz de suportar condições adversas, como chuvas intensas ou ambientes empoeirados, sem comprometer a sua funcionalidade ou segurança.
O refletor de 50 Watts possui um ângulo de abertura de 120º, abrangendo uma área significativa, permitindo a distribuição uniforme da luz, fazendo com que os refletores sejam capazes de iluminar espaços amplos de forma eficiente. A luminosidade dos refletores atinge cerca de 4500 lumens, proporcionando uma iluminação brilhante e de alta qualidade.
A Tabela 1 mostra os dados do Refletor LED para cálculo do consumo diário.
Tabela 1 – Dados do refletor
Fonte: Autores (2023)
A Figura 15 apresenta imagem do refletor LED que será utilizado na torre de iluminação.
Figura 15 — Refletor LED
Fonte: Magazine Luiza (2023)
O cálculo do consumo será baseado na potência dos refletores LED selecionados, conforme finalidade da torre de iluminação. O cálculo do consumo diário de energia é realizado através da equação:
Sendo:
ECD = Energia consumida diariamente (Wh)
P = Potência do equipamento (W)
t = tempo de utilização (h)
Uma vez obtidas as características do sistema dimensionado, com base nos dados da equação 1, pode-se concluir que o consumo diário dos refletores LED será de 3600 Wh.
O consumo mensal é calculado multiplicando o consumo diário por 30 dias no mês, resultando em um total de 108.000 Wh/mês ou 108 kWh/mês.
4.2 Irradiação Solar local
As informações sobre a irradiação solar, são aquelas disponíveis no portal CRESESB (Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio Brito). Ao acessar o portal, basta inserir as informações sobre a latitude e longitude do local na opção “Coordenada geográfica”. O Quadro 2 mostra os dados da irradiação solar diária para a cidade de Ituiutaba – MG, considerando a latitude de 19º sul e a longitude 49º oeste no banco de dados. Realizando a busca, são encontrados pelo menos três locais próximos ao ponto de interesse, mostrando os dados da irradiação solar, sendo fornecido por kWh/m2.dia.
Se não for possível encontrar informações disponíveis sobre a cidade, o banco de dados retorna com o resultado do local mais próximo, ou algum local possuindo as características geográficas semelhantes ao local de interesse. É importante utilizar informações precisas e exatas sobre a localidade ou a mais próxima possível.
Quadro 2 — Dados de irradiação solar para Ituiutaba – MG e entorno
Fonte: CRESESB (2023)
De acordo com dados do CRESESB (2023) selecionando uma localidade, são fornecidos os valores de irradiação do plano horizontal e planos inclinados. Nisso, são apresentados no plano inclinado três diferentes ângulos de inclinação:
- Ângulo igual à latitude: o valor da latitude é usado como ângulo de inclinação dos painéis solares.
- Maior média anual: costuma ser usado quando se deseja a maior geração anual de energia, utilizado especialmente em sistemas fotovoltaicos conectados à rede de distribuição de energia;
- Maior mínimo mensal: é utilizado quando se busca uma medida conservadora, e onde possui um crítico fornecimento contínuo de energia elétrica para a atividade fim, por isso procura-se minimizar o risco de falta de energia.
O ângulo é determinado com base na localização geográfica específica e leva em consideração a inclinação ideal para captar a máxima quantidade de radiação solar ao longo do ano.
A Tabela 2 apresenta os ângulos recomendados para diversas latitudes geográficas, fornecendo uma referência para orientar a instalação dos painéis solares.
Tabela 2 — Escolha dos ângulos de inclinação dos módulos
Fonte: Villalva e Gazoli (2012)
Não é recomendado instalar os painéis com ângulo inferior a 10º para evitar o acúmulo de poeira nos painéis, e com angulação inferior a 10º não é possível fazer uma autolimpeza através das chuvas. No caso da cidade de Ituiutaba – MG, cuja latitude é de 19º recomenda-se que os painéis sejam instalados no mesmo ângulo da latitude. Instalando os painéis solares com o mesmo ângulo de inclinação é possível garantir uma geração de energia otimizada.
Ao considerar que o ângulo de instalação dos painéis deve ser o mesmo da latitude do local, é importante identificar o mês que apresentou o pior nível de irradiação. Assim o sistema consegue produzir energia suficiente nesse período, e em períodos que ocorre a irradiação favorável produzirá mais energia. O Quadro 3 apresenta os dados da irradiação solar para a cidade de Ituiutaba – MG. Analisando os dados, pode-se notar que o pior mês para níveis de irradiação em que o ângulo é igual à latitude é janeiro, com valor medido de 5,25 kWh/m².dia. Esse valor será utilizado para cálculos do dimensionamento do sistema.
Quadro 3 — Dados de irradiação solar para cidade de Ituiutaba – MG
Fonte: CRESESB (2023)
- Dimensionamento do conjunto de baterias
O dimensionamento do conjunto de baterias é necessário para suprir a demanda da torre de iluminação durante períodos em que a geração de energia solar é insuficiente ou inexistente.
Para que o dimensionamento do conjunto de baterias seja feito corretamente, precisa ser considerado vários fatores, incluindo a potência do equipamento, autonomia desejada, potência de descarga, entre outros.
O cálculo da energia consumida em 12 horas de armazenamento, consiste em considerar o consumo diário e multiplicá-lo pela quantidade de dias de autonomia. A equação para a energia consumida é:
Onde:
EC = Energia consumida (Wh/dia)
ECD = Energia consumida diariamente (kWh)
Nautonomia = quantidade de dias de autonomia
A energia armazenada no conjunto de baterias é calculada levando em consideração a energia consumida e a profundidade de descarga, que é a quantidade de descarga da bateria sem que seja carregada novamente. O cálculo da energia armazenada no conjunto de baterias é realizado utilizando a seguinte equação:
Sendo:
EA = Energia armazenada no conjunto de baterias (Wh)
Pd = Profundidade de descarga da bateria
Um conjunto de baterias precisa armazenar e fornecer energia elétrica aos equipamentos. Ele permite que a energia gerada seja armazenada durante períodos de baixa demanda e fornecida quando a demanda é alta, garantindo um suprimento estável e contínuo para o equipamento. Para determinar a capacidade do conjunto de baterias é necessário levar em consideração a energia armazenada no conjunto de baterias e a tensão do conjunto de baterias, sendo a tensão escolhida no conjunto de baterias de 12 Vcc. Dessa forma, a capacidade do conjunto de baterias é calculada da seguinte forma:
Onde:
CBB = capacidade do conjunto de baterias (Ah)
VBB = tensão no conjunto de baterias (Vcc)
No dimensionamento do sistema, é fundamental saber a quantidade de baterias ligadas em série e/ou paralelo. Ligando as baterias em série, a tensão total é aumentada, enquanto a corrente permanece a mesma. Por outro lado, conectando as baterias em paralelo, a tensão permanece constante e a corrente máxima aumenta.
Para calcular a quantidade de baterias ligadas em série é considerada a tensão no conjunto de baterias e a tensão nominal das baterias. O cálculo da quantidade de baterias em série é realizado pela seguinte equação:
Sendo:
NBS = número de baterias em série
VB = tensão nominal das baterias (Vcc)
No cálculo da quantidade de baterias em paralelo é necessário considerar a capacidade do conjunto de baterias e a capacidade de cada bateria individualmente. A equação utilizada para esse cálculo é a seguinte:
Onde:
NBP = número de baterias em paralelo
CB = capacidade de baterias (Ah)
Após realizar o cálculo do número de baterias em série e em paralelo, é calculado o número total de baterias para o sistema. Esse cálculo é feito através da equação:
Sendo NBT o número total de baterias.
No dimensionamento de sistema fotovoltaico isolado, é comum utilizar baterias estacionárias para armazenar energia gerada. A bateria escolhida para o projeto do sistema é da marca Freedom representada na Figura 16, ela possui uma capacidade de 220Ah. Os dados dessa bateria podem ser encontrados na Tabela 3, que será utilizada como referência durante o processo de dimensionamento do sistema.
Figura 16 — Bateria estacionária Freedom 220Ah
Fonte: Neosolar (2023)
Tabela 3 — Dados da bateria Freedom
Fonte: Neosolar (2023)
A figura 17 mostra uma curva relacionando a profundidade de descarga e os ciclos de vida da bateria.
Figura 17 — Curva com profundidade de descarga e número de ciclos de carga
Fonte: Freedom (2023)
Com os dados do consumo estabelecidos, a energia consumida em 12 horas de armazenamento será de 1800 Wh/dia. A energia a ser armazenada pelas baterias para um regime de descarga de 20%, será de 9000 Wh, o cálculo foi feito pela Equação 3. A capacidade do conjunto de baterias foi estimada em 750 Ah através da Equação 4. Pela equação 6 foi feito o cálculo das baterias em paralelo, resultando em 4 baterias.
O sistema requer um total de 4 baterias, conforme calculado. Por uma questão de arranjo as baterias serão associadas em paralelo resultando em uma tensão de 12V. A Figura 18 mostra como é feita a ligação de baterias em paralelo.
Figura 18 — Baterias estacionárias em paralelo
Fonte: Autores (2023)
4.4 Dimensionamento do painel fotovoltaico
Para dimensionamento dos painéis é necessário determinar o número correto deles para atender à demanda de energia do sistema, evitando assim custos desnecessários. Para isso, é preciso saber o modelo do painel, pois é através das informações dele que será dimensionada a quantidade de painéis. Nesse contexto, utilizaremos o painel Jinko modelo JKM460M-7RL3, as especificações técnicas do fabricante podem ser encontradas na Tabela 4, que auxiliará no processo de dimensionamento.
A energia produzida pelos painéis fotovoltaicos é fundamental para o sistema dimensionado. Deve ser considerada uma perda de eficiência de 20% para realizar o cálculo do sistema. Essa estimativa de perda se deve a vários fatores que afetam o desempenho do sistema ao longo do tempo. Os fatores incluem degradação de componentes, acúmulo de poeira nos painéis, variação de temperatura e perdas na fiação e conexão. Para acomodar as perdas e garantir que o sistema seja dimensionado de uma forma adequada, é comum adotar um fator de correção de eficiência de 0,8. Esse valor representa a eficiência ajustada, levando em consideração as perdas esperadas.
Tabela 4 — Dados do painel Solar
Fonte: Jinko Solar (2023)
Utilizando o fator de correção as expectativas da geração são ajustadas, considerando uma margem de segurança para redução na eficiência ao longo do tempo. Para determinar a quantidade de energia produzida pelos painéis, considerando o fator de correção, é utilizada a seguinte equação:
Sendo:
EPD = energia produzida diariamente (Wh)
IS = irradiação solar (kWh/m2.dia)
A = área do painel (m2)
η = eficiência do painel
A determinação da quantidade de painéis fotovoltaicos em um sistema é realizada por meio de um cálculo que leva em consideração a energia consumida diariamente e a energia produzida pelos painéis. A equação utilizada para esse cálculo é a seguinte:
A energia produzida dos painéis foi encontrada através da Equação 8. Onde a energia produzida diariamente de cada painel de 1936,3 Wh/dia. Como são dois painéis a energia total produzida nos dois painéis é de 3872,6 Wh/dia.
Utilizando a equação 9 foi encontrada a necessidade de inserir 2 painéis de 460 Wp (Watt-pico) no sistema. Como a tensão utilizada no conjunto de baterias é 12 Vcc e a tensão em máxima potência dos painéis é 43,08 V, pode-se ligar os painéis em paralelo pois a tensão de cada painel é acima de 25% do conjunto de baterias. Se fosse abaixo de 25% da tensão do conjunto de baterias, os painéis deveriam ser ligados em série para aumentar a tensão para poder carregar as baterias. Na Figura 19, é possível observar a conexão dos painéis em paralelo.
Figura 19 — Painéis conectados em paralelo
Fonte: Autores (2023)
4.5 Projeto do controlador de carga
O projeto do controlador de carga utilizado será o MPPT (maximum power point tracking). Ele permite uma extração máxima de energia dos painéis, rastreia o ponto de máxima potência, sempre ajustando a tensão e a corrente de saída, para maximizar a produção de energia.
Para dimensionar o controlador, é preciso encontrar a corrente do controlador de carga através da quantidade de painéis em paralelo, da corrente de curto-circuito do painel e do fator de segurança.
A corrente máxima fornecida pelos módulos precisa ser ajustada por um fator mínimo de segurança de 30%. Esse fator assegura que a corrente máxima do controlador não seja excedida em nenhuma circunstância (VILLALVA; GAZOLI, 2012).
Para determinar o cálculo da corrente do controlador de carga, utiliza-se a seguinte fórmula:
Onde:
IC = Corrente do controlador de carga (A)
QPP = quantidade de painéis em paralelo
ISC = corrente de curto-circuito do painel (A)
FSC = Fator de segurança controlador
O valor da corrente do controlador de carga precisa ser maior que a corrente de curto-circuito produzida pelo sistema fotovoltaico. Nesse caso a corrente do controlador de carga é de 29,9 A utilizando a equação 10. Será utilizado controlador de carga de 40 A da marca Epever modelo XTRA 4210N. Como o controlador de carga de 40 A suporta uma potência máxima de painéis de 520 W e os painéis são de 460 Wp cada, será necessário utilizar 2 controladores de carga de 40 A para a segurança da instalação, onde cada um será conectado a um painel. A Figura 20 mostra os controladores de cargas ligados em paralelo. Os dados do controlador de carga selecionado são encontrados na Tabela 5.
Figura 20 — Controladores de carga MPPT ligados em paralelo
Fonte: Autores (2023)
Tabela 5 — Dados do controlador de carga
Fonte: Neosolar (2023)
- Dimensionamento dos cabos e sistema de proteção
No dimensionamento dos cabos é preciso saber o comprimento dos cabos que serão conectados aos equipamentos. O cálculo do dimensionamento é feito utilizando a seguinte equação:
Sendo:
S = Seção do cabo (mm2)
l = comprimento do cabo (m)
I = corrente que passa no condutor (A)
σ = Condutividade do condutor
V = tensão de alimentação (V)
∆V% = Queda de tensão no condutor (%)
A fórmula adota uma margem de segurança de 25%, e os condutores utilizados são de cobre e possuem uma condutividade de 56 m/(Ω·mm²). A Tabela 6 mostra os dados referente a cálculo do cabeamento.
Tabela 6 – Dados para cálculo do cabeamento
Fonte: Autores (2023)
Para dimensionamento dos dispositivos de proteção, são aplicadas normas padrão e recomendações do fabricante do equipamento. Para dimensionar o disjuntor do lado CC, segundo a NBR5410, os disjuntores devem ser dimensionados da seguinte forma:
Onde:
In = corrente nominal do circuito (A)
Id = corrente nominal do disjuntor (A)
Imax = corrente máxima suportada pelo condutor (A).
A Tabela 7 contém as informações referentes aos disjuntores utilizados em cada trecho, onde foram dimensionados de acordo com a equação (12). Será utilizado barramento de cobre que terá capacidade para suportar a corrente que fluirá por ele.
Tabela 7 – Disjuntores utilizados em cada trecho
Fonte: Autores (2023)
O sistema fotovoltaico dimensionado foi dividido em duas partes distintas, essencialmente formando dois sistemas interligados que atenderão à demanda total da torre. Isso é evidenciado no diagrama da Figura 21.
Figura 21 — Diagrama do sistema dimensionado
Fonte: Autores (2023)
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO
5.1 Custos da implantação do sistema fotovoltaico
Os equipamentos utilizados no dimensionamento do sistema fotovoltaico para a torre de iluminação são encontrados no mercado nacional. Os custos da implantação da torre de iluminação é um aspecto crucial a ser considerado. A Tabela 8 consta o orçamento dos principais equipamentos utilizados no dimensionamento para o sistema fotovoltaico. Na Figura 22 tem-se o gráfico de pizza mostrando a distribuição dos custos do sistema.
Tabela 8 — Custos dos equipamentos mais importantes para instalação do sistema isolado
Fonte: Autores (2023)
Figura 22 — Porcentagem dos custos de cada componente
Fonte: Autores (2023)
Os painéis solares são uma parte bastante significativa dos custos totais do sistema. A quantidade de painéis dependeu da demanda de energia da torre e da capacidade de geração dos painéis que foram escolhidos. Os painéis Jinko de 460Wp foram escolhidos devido estar entre os painéis mais vendidos e oferecerem uma boa qualidade.
As baterias possuem um grande custo em relação aos outros materiais do orçamento. O custo inicial das baterias chumbo-ácido que foram selecionadas é menor do que as baterias de íon de lítio ferro fosfato.
Os controladores de carga além de contribuírem para os custos são essenciais para a instalação do sistema fotovoltaico maximizando a via útil das baterias.
Os cabos e as conexões também tiveram um impacto significativo nos custos. Optou-se por cabos de alta qualidade e de bitola adequada para minimizar as perdas de energia e garantir uma transmissão eficiente.
Ao analisar os custos totais da implantação do sistema fotovoltaico para a torre de iluminação, observou-se que as baterias foram os componentes mais caros.
Portanto, é importante ressaltar que os custos da implantação do sistema fotovoltaico podem variar dependendo das características específicas de cada projeto, como tamanho da torre, demanda de energia e localização geográfica. É recomendado realizar análises detalhadas de custo-benefício para determinar a viabilidade econômica de cada projeto específico.
5.2 Análise comparativa com um sistema já instalado
Realizando uma análise comparativa entre um sistema de torre de iluminação solar já instalado em uma usina e um sistema de torre de iluminação dimensionado com base no consumo e no tempo de utilização dessa mesma usina é possível identificar diferenças significativas entre os dois sistemas e discutir os impactos dessas diferenças em relação ao desempenho. A Tabela 9 apresenta dados do sistema existente. A Figura 23 mostra os dados do diagrama do sistema atual instalado.
Tabela 9 — Dados do sistema já existente
Fonte: Autores (2023)
Figura 23 — Diagrama do sistema instalado atualmente
Fonte: Autores (2023)
O sistema já instalado possui funcionamento de 12 horas por dia, que está posicionado em um plano horizontal. Devido à falta de angulação dos painéis, eles não estão aproveitando a capacidade máxima de geração de energia. O consumo mensal estipulado por ambos os sistemas é para 108 kWh/mês. A Tabela 10 mostra os dados de geração do sistema atual em um plano horizontal e os dados do sistema dimensionado em um ângulo igual à latitude, pode-se identificar que o sistema existente, onde se encontra em um plano horizontal está com um superdimensionamento desnecessário. Isso significa que o sistema está produzindo mais energia do que realmente é consumido, o que pode resultar em desperdício de recursos. No dimensionamento do sistema proposto que está com o ângulo igual à latitude, a capacidade de geração projetada está alinhada com os parâmetros normais, não havendo qualquer superdimensionamento em comparação com o sistema existente. Com esse dimensionamento adequado, espera-se uma eficiência energética otimizada.
Tabela 10 — Comparação de geração mensal dos sistemas
Fonte: Autores (2023)
Além disso, foi identificado que o sistema atual está funcionando com baterias automotivas. As baterias automotivas não são adequadas para aplicações fotovoltaicas, elas não conseguem suportar ciclos de descarga e recarga igual a bateria estacionária pois não foram projetadas para ser totalmente descarregadas pois podem ser danificadas.
Os disjuntores instalados na torre atualmente são inadequados, pois são disjuntores de CA, sendo que o correto seria usar um disjuntor CC. Essa incompatibilidade pode afetar o desempenho e a segurança do sistema, pois existe uma diferença entre os dois tipos de disjuntores. No caso da corrente contínua é gerado um arco elétrico muito maior do que em corrente alternada, e por ter este arco elétrico, precisa de um disjuntor específico para corrente contínua, com o disjuntor inadequado a segurança do sistema é comprometida.
Outro problema encontrado é a ausência de um barramento. Esse componente é essencial para garantir a distribuição adequada da energia gerada pelo sistema, evitando sobrecargas e otimizando sua eficiência. As Figuras 24, 25, 26 e 27 mostram a torre de iluminação instalada atualmente. Ela se encontra em situação precária, com equipamentos dimensionados de forma errada. Por isso surgiu à oportunidade de realizar um novo dimensionamento de uma torre de iluminação.
Figura 24 — Torre de iluminação existente
Fonte: Autores (2023)
Figura 25 — Torre de iluminação acesa
Fonte: Autores (2023)
Figura 26 — Torre de iluminação desligada
Fonte: Autores (2023)
Figura 27 — Equipamentos da torre
Fonte: Autores (2023)
O sistema projetado foi dimensionado de forma adequada, com base nas normas NBR5410 (ABNT,2004), NBR16690 (ABNT,2018) e NBR16612(ABNT,2022). Um aspecto importante do dimensionamento do sistema é a angulação dos painéis, onde cálculos foram realizados considerando a inclinação igual à latitude do local para captar a luz de forma ideal ao longo do dia, maximizando a eficiência na geração de energia, se o sistema tivesse sido dimensionado para um plano horizontal ele não teria um bom rendimento. A figura 28 ilustra como seria a geração do sistema se fosse instalada em um plano horizontal ou se o ângulo de instalação fosse igual à latitude. Nela pode-se observar que a geração de março a setembro é maior no plano onde o ângulo seria igual à latitude comparada com o plano horizontal. Se esse mesmo sistema dimensionado fosse instalado em um plano horizontal, nesse período de março a setembro que é o outono e o inverno o sistema não atingiria a geração que a torre necessita para funcionamento.
Figura 28 — Geração estimada em kWh
Fonte: Autores (2023)
Além disso, é importante ressaltar que o sistema foi dimensionado levando em consideração a segurança. Durante o processo de cálculo, foram considerados os fatores de segurança necessários para garantir a integridade do sistema. Isso inclui a seleção adequada de componentes, como disjuntores e cabos, que são dimensionados para suportar as condições de operação e proteger o sistema contra eventuais falhas.
O dimensionando do sistema de forma correta e segura, foi possível assegurar um funcionamento confiável e eficiente em longo prazo, minimizando riscos do sistema e proporcionando uma geração adequada conforme a demanda solicitada.
A Figura 29 mostra como ficaria a nova torre de iluminação dimensionada com os componentes selecionados.
Figura 29 — Modelo de torre de iluminação solar dimensionada
Fonte: Autores (2023)
As torres de iluminação solar são amplamente utilizadas em uma variedade de setores e aplicações, oferecendo a capacidade de ajustar a direção e a intensidade da luz. Elas geralmente são equipadas com sistemas de rotação e inclinação, permitindo direcionar a iluminação para áreas específicas, conforme necessário. Isso proporciona flexibilidade e versatilidade para adaptar a iluminação de acordo com as necessidades do local.
De tal forma, as torres de iluminação desempenham um papel importante na melhoria da produtividade em diversas atividades como reduz os riscos de acidentes e erros causados por visibilidade limitada, em projetos com prazos rigorosos operando em todo período noturno, em emergências, como desastres naturais, acidentes ou operações de resgate etc.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Neste trabalho, o processo de um dimensionamento para geração fotovoltaica off-grid para torres de iluminação por serem utilizadas em áreas remotas foi abordado. A viabilidade e a eficiência desse tipo de sistema foi o principal foco, com a priorização da capacidade de fornecer energia elétrica de forma segura e atendendo todos os pré-requisitos estabelecidos pelas normas regulamentadoras.
Portanto, ao analisar os resultados obtidos, ficou evidente que o dimensionamento realizado do sistema foi fundamental para garantir um suprimento contínuo de energia às torres de iluminação. A combinação correta de painéis solares fotovoltaicos, baterias e controladores de carga solar são essenciais para atender à demanda de energia do consumo dos componentes de iluminação, tanto durante o período diurno quanto durante a noite.
Além disso, a utilização de sistemas off-grid nesse contexto demonstrou ser uma solução ambientalmente sustentável. A geração de energia por meio de painéis solares fotovoltaicos reduz significativamente as emissões de carbono, contribuindo para a mitigação das mudanças climáticas e a preservação do meio ambiente. Essa abordagem alinha-se com a busca por soluções energéticas mais limpas e renováveis.
Porém, é importante ressaltar que o dimensionamento off-grid para torres de iluminação não é uma solução universal. Cada local e projeto devem ser avaliados individualmente, considerando as particularidades e as demandas específicas. A disponibilidade de recursos naturais são fatores que influenciam diretamente a viabilidade e a eficácia desse tipo de sistema.
Por fim, é importante destacar que este estudo representa um ponto de partida para a implementação de sistemas off-grid para torres de iluminação. Recomenda-se a continuidade da pesquisa e o aprimoramento das metodologias de dimensionamento, considerando-se diferentes cenários e a evolução tecnológica, para garantir soluções cada vez mais eficientes e sustentáveis no fornecimento de energia para torres de iluminação em áreas remotas.
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VILLALVA, M.; GAZOLI, J. Energia solar fotovoltaica: conceitos e aplicações. São Paulo: Erica, 2012.
1 Bacharel em Engenharia Elétrica, Universidade do Estado de Minas Gerais (UEMG)|, Unidade Ituiutaba. bruno.1592391@discente.uemg.br
2 Bacharel em Engenharia Elétrica, Universidade do Estado de Minas Gerais (UEMG)|, Unidade Ituiutaba. thais.1592414@discente.uemg.br
3 Docteur en Sciences Appliquées (Université de Liège-BE). Docente no Departamento de Engenharias e Sistemas de Informação, Universidade do Estado de Minas Gerais (UEMG), Unidade Ituiutaba. Katia.lopes@uemg.br.
4 Doutor em Engenharia Elétrica (UFU). Docente no Departamento de Engenharias e Sistemas de Informação, Universidade do Estado de Minas Gerais (UEMG), Unidade Ituiutaba. mauro.gazzani@uemg.br.