Projeto de energia fotovoltaica indigena

Projeto de energia fotovoltaica indigena

(Parte 1 de 3)

Manaus 2016

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Centro Universitário do Norte, UNINORTE-LAUREATE como um dos requisitos para obtenção do grau de Engenharia Elétrica.

Orientador: Profº. Kleber Santana

Manaus 2016

6334pCastro,Thiago Herculano Ferreira

Projeto de energia fotovoltaica para atender a demanda deenergia de uma escolaindígena/Thiago Herculano Ferreira de Castro.–Manaus: Centro Universitário do Norte–Uninorte / Laureate, 2016.

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao curso de Engenharia

Elétrica como pré-requisito para obtenção do título de Bacharelado. Orientador: Prof. Esp. Kleber Santana

1.Energia solar fotovoltaica. 2. Eficiência energética. 3. Escola indígena. 4. Energia fotovoltaica para escola.5. Alternativa Sustentável. 6.Energia solar

CDU: 620.91

Trabalho de Conclusão de Cursocomo pré-requisito para obtenção do grau de Engenharia Elétrica do Centro Universitário do Norte,aprovada na sua versão final no dia 13/12/2016 atendendo as normais da legislaçãovigentena coordenação do curso e examinado pela banca com osseguintes membros:

Prof.Esp. Kleber Santana Centro Universitário do Norte

Prof.Msc. Wilson Gonçalves de Araújo Centro Universitário do Norte

Prof.Msc. André Ferreira Aranha Centro Universitário do Norte

Manaus,__________de____________________de 2016.

Dedico

Primeiramente a minha mãe Iranice Herculano por todo apoio, contribuição, e esforçosem ela seria quase impossível minha formação acadêmica. Aminha família que sempre me incentivaram a prosseguir, dando ânimo nos momentos mais difíceis, aos amigos e companheiros de curso que durante cinco longos anos trabalharam duro para conseguir aconclusão dos ideais.

Agradeço primeiramente a Deus pela sabedoria e forçae firmeza a mim concedida durante a caminhada acadêmica. Agradeço a minha mãe de uma forma especial, pelo cuidado e carinho e incentivoem toda a caminhada acadêmica e em toda vida. Agradeço aos meus familiares que na mesma medida ajudaram em vários aspectos para que estivesse aqui hoje. Aosamigos ecolegas da sala e também fora dela, e aos professores que contribuíram, ensinaram e orientaram e pelos seus conhecimentos que transmitiram a mim contribuindo para meu conhecimento e formação.

O saber a gente aprende com os mestres e os livros.A sabedoria se aprende é com a vida e com os humildes.

- Pitágoras

A presente pesquisa se refere ao projeto de um sistema de energia fotovoltaico. A proposta para elaboração de umprojeto de energia alternativa veio devido a real necessidade de uma escola indígena no interior do amazonas onde não se tem energia elétrica que vem da central abastecedora. Como procedimento foi feito todos os cálculos de demanda para um dimensionamentoreal da quantidade de painéis e do banco de baterias suficientes para um bom funcionamento do sistema na escola. Devido ao tamanho e a quantidade de aparelhos na escola a carga consumida é bastante alta fazendo com que os equipamentos presentes no projetotambém sejam elevados assim como seuvalor.Os resultados obtidos partem de um quantitativo real e devido a necessidade, para que funcione todos os equipamentos necessários que compõe a escola, com o fornecimento da energiaatravésdo sistema solar fotovoltaico.

Palavra-chave:Energia solar fotovoltaica, eficiência energética, escola indígena, energia fotovoltaica para escola.

This research relates to the design of a photovoltaic power system.The proposal for the development of an alternative energy project came becauseofthe real need for annative school within the Amazon where there is no electricity coming from the central supplying.As procedure was doneall thedemand calculations for a real scalingofthe number of panels and the bank enough batteries for proper functioning of the system at school.Due to the size and amount ofcharge consumed in the school is veryhigh school causingthe presentequipments inthe project are very high as well as theirvalue.The results are based on a real quantitative and because the need for it to work all the necessary equipment that make up the school, with the supply ofthroughphotovoltaic solar system.

Keywords:Photovoltaic solar energy, Energy efficiency, native school,Photovoltaic energy for school

forno de difusão de modo a criar uma junção p-n18

Figura 2-1-Calvin Fuller prepara uma amostra de silício dopado com arsénio para colocar num

uma rede telefónica local em Americus, na Geórgia, Estudos Unidos da América, em 195519
Figura 2-3-Mapa que mostra a radiação solar no mundo21
Figura 2-4 - Painéis de energia térmica23
Figura 2-5 - Ilustração do efeito foto voltaico24
Figura 2-6-Filme plástico que capita energia solar25
Figura 2-7-Configuração básica de um sistema fotovoltaico25
Figura 2-8–Diagrama de um sistema fotovoltaico isolado26
Figura 2-9-Diagrama de um sistema fotovoltaico conectado a rede27
Figura 2-10–Diagrama de um sistema fotovoltaico híbrido28
Figura 2-1–Diagrama dos tipos de sistema foto voltaicos29
Figura 2-12 – Célula de Silício monocristalino30
Figura 2-13 – Célula de Silício policristalino31
Figura 2-14 – Bateria de chumbo-ácido32
Figura 2-15 - Inversor35
Figura 2-16 – Controlador de carga36
Figura 4-1-Mapa com a latitude e longitude do município de tabatinga43
Quadro 2.1-Quadro das vantagens e desvantagens em relação ao custo2
Quadro 2.2 - Dados técnicos de baterias recarregáveis3
Quadro 2.3–Quadro que demonstra os sistemas e seus componentes de funcionamento37
Quadro 4.1 Área construída em M240
Quadro 4.2 Quadro do levantamento de carga47
Quadro 4.3 Cálculo demanda corrigida49
Quadro 4.4 Cálculo da potencia do sistema50
Quadro 4.5 Cálculo para a quantidade de painéis em série50
Quadro 4.6 Número de painéis em paralelo51
Quadro 4.7Quantidade mínima de painéis52
53

Quadro 4.8 Capacidade do banco de bateria (Wh)

Quadro 4.9 Capacidade do banco de bateria em ( Ah )

54
Quadro 4.10 Numero de baterias em paralelo5
Quadro 4.1 Quantidade de baterias em série56
Quadro 4.12 Total de baterias56
Quadro 4.13 Corrente máxima do controlador57
Quadro 4.14 Número de paineis em paralelo58
Quadro 4.15 Quadro da curva de carga60
Quadro 4.16 Quadro de consumo por hora de cada equipamento61

Quadro 4.17 Controlador de carga em ( W)

Tabela 4-1 especificações do painel fotovoltaico48
Tabela 4-2 Especificações da bateria52

INTRODUÇÃO 15

1CONTEXTUALIZAÇÃO E MOTIVAÇÃO17 1.1 APRESENTAÇÃO 17 1.2 OBJETIVOS 17 1.2.1 Objetivo geral 17 1.2.2 Objetivo específico 17 1.3 JUSTIFICATIVA 17

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 18 2.1 UMABREVEHISTÓRIADAENERGIASOLARFOTOVOLTAICA 18 2.2 ENERGIASOLAR 19 2.2.1Vantagens da energia solar20 2.2.2Desvantagens da energia solar21 2.3 ENERGIASOLARTÉRMICA 2 2.4 ENERGIASOLARFOTOVOLTAICA 23 2.5 CLASSIFICAÇÃODOSSISTEMASFOTOVOLTAICOS 25 2.5.1Sistema fotovoltaico isolado ou autônomo25 2.5.2Sistema Fotovoltaico conectado a rede27 2.5.3Sistema Fotovoltaico Híbrido28 2.6 COMPONENTESBÁSICOSDOSISTEMAFOTOVOLTAICO 29

2.6.1 Células Solares 29

2.6.2Acumuladores de carga ( Baterias)

31 2.6.3Inversor de corrente34 2.6.4Controlador de carga35 3 METODOLOGIA 38 4ESTUDO DE CASO40 4.1 DESCRIÇÃODOPROJETO 40 4.2 FASESDOPROJETO 41

4.2.1Radiação Solar na Região41 4.3 LEVANTAMENTODASCARGAS 45 4.4 DIMENSIONAMENTODOPAINELFOTOVOLTAICO 48 4.5 DIMENSIONAMENTODOBANCODEBATERIA 52 4.6 DIMENSIONAMENTODOCONTROLADORDECARGA 56 4.7 DIMENSIONAMENTODOINVERSOR 58 4.8 CORREÇÃODONÚMERODEPAINÉISEBATEIASPORBLOCO 62

5 RESULTADOS 65 5.1 CUSTODOSCOMPONENTESDOSISTEMA 65

CONSIDERAÇÕES FINAIS 6

Referências Anexos

15 INTRODUÇÃO

O constante crescimento da população mundial tem gerado uma demanda muito alta do consumo de energia elétrica, que também indica um alto crescimento do desenvolvimento econômico e do ritmo acelerado das atividades do setor industrial que para atender esses consumidores elevou-se a o uso dos combustíveis fósseis de naturezas esgotáveis tais como petróleo e carvão, que correspondem a uma grande parte das fontes de energia do mundo e também um agente gerador de grandes prejuízos ambientais no mundo inteiro porsua queima emitir dióxido de carbono e vários outros gases que contribuem para o efeitoestufa.

Segundo a ANEEL( Agencia Nacional de Energia Elétrica) cerca de 40% de

CO2 ( dióxido de carbono) produzido no mundo são resultantes da combustão dos combustíveis fosseispara produção de calor, vapor ou energia elétrica. Um dos maiores problemas é que essas fontes de energia são esgotáveis como foi citado acima, por conta disso omundo inteiro começou a se preocupar e a buscar novas fontes de energia renováveis que pudessem suprir essa defasagem e diminuir a poluição causada por algumas fontes.

Comose ouve agora a busca incessante para uma energia mais limpa e um consumo mais responsável, preservação do meio ambiente e melhor qualidade de vida tem ultrapassado barreiras e vários estudos foram feitos para descoberta de fontes que não se esgotem á médio prazo.

Varias soluções foram dadas para essa questão que foi levantada, as fontesde energia renováveis que se torna cada vez mais constante com no mundo, que são elas:Energiahídrica, Energia eólica,Energia,Energia das ondas e marés,Energia da biomassa.

E por fim uma das energias renováveis que mais vem crescendo e ganhando espaço no mercado energético do Brasil e do mundo a energia solar que é proveniente da radiação dosol que é inesgotável que é hoje uma das alternativas promissoras para prover a energia necessáriapara o desenvolvimento humano lembrando também que grande parte das outras fontes de energias são derivadas da energia do sol.

Com isso este presente trabalho tem como objetivo a elaboração de um projeto de energia fotovoltaica para uma escola indígena que não é contemplada pela rede elétrica que poderá então ter a energia que antes era gerada escassamente por grupo gerador que raramente funcionava pela difícil logística da localidade.

Para isso foi feito um levantamento de todo os equipamentos elétricos, luminárias e outros fontes de consumo e suas potências, simulando através de cálculos o consumo de energia para levantamento de toda carga instalada da escola.

Com todas essas informações foi feito os cálculos para dimensionamento do sistema de energia fotovoltaico, como o banco de baterias, painéis solares, inversor e controlador que saram necessários para o bom funcionamento do sistema na escola.

Levando em consideração o lugar geográfico onde se encontra a escola e também o nível de insolação que pode influenciar negativamente no sistema por se tratar de um lugar bastante isolado e onde a chuva é constante e o calor é elevado prejudicando a eficiência do sistema de energia fotovoltaico.

Também fazendo a previsão estimativa do tempo em que nãohá sol na região e o sistema terá que continuar funcionando normalmente na escola para que as baterias não sejam rapidamente danificas em seu tempo de vida pela total descarga de sua porcentagem permitida.

E assim fazendo com que o projeto opere na sua eficiência máxima sem danos ao mesmo pra o funcionamento pleno de todos os itens do sistema fotovoltaico.

17 1CONTEXTUALIZAÇÃO E MOTIVAÇÃO

1.1 APRESENTAÇÃO

Todo projeto de qualquer espécie deve seguirpassos, um projeto de energia solar fotovoltaico não é diferenteeste trabalho seguirá algumas etapas desde o conceito histórico da energia solar no mundo e no Brasil e os componentes do sistema solar fotovoltaico como as baterias, inversores, os painéis solares, e o controlador de carga.

Assim como o passo a passo do projeto todo o dimensionamento dos componentes necessários para a eficácia no sistema.

1.2 OBJETIVOS

1.2.1Objetivo geral

Elaboração de um projeto de energia solar fotovoltaico.

1.2.2 Objetivo específico I.Demonstrar o funcionamento de um sistema solar fotovoltaico;

I.Apresentar os cálculos para dimensionamento do sistema;

I.Especificar os materiais usados no sistema;

IV.Dimensionar o sistema fotovoltaico para a escola. 1.3 JUSTIFICATIVA

Algumas escolas localizadaem aldeias indígenas no Amazonas têm sofridocom a ausência de energia elétricapor serem muito isoladas da capital.

Em algumas dessas escolas os geradores raramente funcionam por conta das dificuldades enfrentadas pela logística para que o combustível chegue até esses locais, fazendo com queesses geradores fiqueminutilizados grande parte do tempo.

A implantação de um projeto solar fotovoltaicoiriaacabar com o problema de energia dessas escolas que passaria a ter energia elétrica para atender as necessidades elétricas das escolas.

18 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

2.1UMA BREVE HISTÓRIADA ENERGIA SOLARFOTOVOLTAICA

O sol foi descobertocomo fonte energiaem 1839, quandoofísico francês Alexandre

Edmond Becquerelobservou oefeito fotovoltaico. Na época, o físico conduzia experiências eletroquímicas quando, por acaso, verificou que a exposição à luz de elétrodos de platina ou de prata dava origem ao efeito fotovoltaico.( VALLÊRA et al.,2006)

Na sequência desta descoberta,dois inventores americanos chamadosAdams e o seu aluno Richard Day desenvolveram em 1877 o primeiro dispositivo sólido defotoproduçãode eletricidade, um filme de selénio depositado num substrato de ferro em que um filme de ouro muito fino servia de contato frontal. Este dispositivo apresentava uma eficiência de conversão

Energia2011)

de aproximadamente 0,5%.(

Em 1940,foi inventadaa primeira placa de silício porRussel Ohl. Masem 1954o processo de dopagem de silício foi desenvolvido porCalvin Fuller e Gerald Pearson, nos

Laboratórios Bell, localizado em Murray Hill ( EUA )

. Pearson, seguindo instruções de Fuller, produziu uma junção p-n ou díodo, com banho de lítio uma barra de silício dopado com um elemento doador eletrônico. Mais tarde, com o intuito de superar problemas técnicos, Fuller dopou silício primeiro com arsênio e depois com boro, obtendo células que exibiam

eficiências recorde de cerca de 6%. ( VALLÊRA et al., 2006)

Figura2-1-Calvin Fuller prepara uma amostra de silício dopado com arsénio para colocar num forno de difusão de modo a criar uma junção p-n.

Fonte: http://solar.fc.ul.pt

19 Em 1954, a primeira célula solar foi oficialmente apresentada na reunião anual da, em

. Em 1955, a célula de silício foi aplicada pela primeira vez como fonte de alimentação de uma rede telefônica, na Geórgia.

No inicio, a energia fotovoltaica foi restrita para ser utilizada somente em locais onde não havia energia elétrica e também para alimentar os satélites e sondas espaciais. “A corrida espacial, de certa forma, ajudou no aperfeiçoamento do sistema fotovoltaico porque os primeiros satélites funcionavam à base de baterias que eram danificadas ou interrompiam o seu funcionamento depois de um tempo. A segunda geração de satélites passou a funcionar 100% com energia fotovoltaica. Por esse processo ser caro ficou durante muito tempo restrito

Energia2011)

a área de alimentação de satélites. (

O primeiro satélite alimentado por energia solar, denominado Vanguard I, foi enviado ao espaço em março de 1958 e encontra-se em órbita até hoje.

2.2ENERGIA SOLAR

O mundo tem evoluído rapidamente e suas tecnologias aumentado constantemente com isso com varias pesquisas,foramfeitas para aprimoramento e descobertade uma serie de novas tecnologias paraaproveitamento dasenergias renováveis, uma das mais crescentes e mais faladas ultimamente são o aproveitamento da energia solar na forma deenergia solartérmica e fotovoltaica.

Fonte: http://web.ist.utl.pt/palmira/solar.html

Figura2-2-A primeira aplicação de uma célula solar de silício foi como fonte de alimentação de uma rede telefónica local em Americus, na Geórgia, Estudos Unidos da América, em 1955.

Essa nova tecnologia não tem aumento só nas residências apesar de ser mais direcionadas para essa área, cada vezmaistem crescidoasua utilização na produção de energia elétrica a grande escala através de parques e usinas solares, em todo o mundo.

Por seu potencial ilimitado que produz 4 milhões de vezes mais energia do que conseguimos consumir. Essa energiasolar que é produzida é convertida em energia usada pelosseres humanos, querpara a produção de eletricidade ou de caloratravés de equipamento que fazem essas transformações.

Considerando que a energia solar está disponível de forma absolutamente gratuita, pergunta-se por que é seu aproveitamento ainda é tão limitado? O problemaé que a energia solar apresenta-se sob a forma disseminada e a sua captação, pelo menos para potências elevadas, requer instalações complexas e dispendiosas.

O aproveitamento daenergia solar poderá em teoria e álongo prazo tornar-se como a grande soluçãopara todos os problemas energéticos da nossa sociedade, apesar de todas as vantagens aparentes possui também desvantagens no decorrer do seu aproveitamento.

TECNOSOL, 2014)

2.2.1Vantagens da energia solar

–A energia solar não polui durante seu uso. A poluição decorrente da fabricação dos equipamentos necessários para a construção dos painéis solares é totalmente controlável utilizando as formas de controlo existentes atualmente.

–As centrais necessitam de manutenção mínima.

–Os painéis solares sãocada vezmais potenteseseu custo vem decaindo. Isso torna cada vez mais a energia solar uma solução economicamente viável.

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