DIMENSIONAMENTO DE UM SISTEMA EÓLICO RESIDENCIAL
Fabio Colombo – e-mail [email protected]
Faculdades Integradas de Taquara – Faccat – Taquara – RS – Brasil
Jeferson César da Conceição – e-mail [email protected]
Faculdades Integradas de Taquara – Faccat – Taquara – RS – Brasil
José de Souza – e-mail [email protected]
UFRGS – Universidade Federal do Rio Grande do Sul – Porto Alegre – RS – Brasil
Clayton André Oliveira Motta – e-mail [email protected]
UFRGS – Universidade Federal do Rio Grande do Sul – Porto Alegre – RS – Brasil
João Alvarez Peixoto – e-mail [email protected]
UFRGS – Universidade Federal do Rio Grande do Sul – Porto Alegre – RS – Brasil
Bernardo Póras Reis – e-mail [email protected]
PUCRS – Pontifícia Universidade Católica do rio Grande do Sul – Porto Alegre – RS – Brasil
Resumo: O trabalho tem como objetivo fazer uma aplicação de um sistema de captação de energia
eólica aplicada em pequena escala, demonstrando sua relação custo benefício. Através de análise
custo benefício constatou-se que é viável a implantação de energia eólica para sistemas residenciais.
É importante considerar que os resultados dependem diretamente do local de instalação e a
velocidade do vento local. O sistema também pode ser utilizado em locais de difícil acesso onde não
há redes de energia elétrica, locais onde o custo de instalação de energia elétrica é alto e até mesmo
em locais residências normais levando em consideração o resultado obtido neste trabalho.
Palavras-chave: Energia Renovável, Energia eólica, Potencial eólico.
SIZING SYSTEM OF A WIND FARM RESIDENTIAL
Abstract: The paper aims to make an implementation of a system to capture wind energy applied on a
small scale, demonstrating its cost-benefit ratio. Through cost-benefit analysis it was found that it is
feasible the deployment of wind power for residential systems. It is important to consider that the
results depend directly on the installation location and the local wind speed. The system can also be
used in hard to reach places where no electrical power grids, where the installation cost of electricity
is high and even in normal residential locations taking into account the results obtained in this work
Keywords: Renewable Energy, Wind Energy, Wind potential.
1. INTRODUÇÃO
Em 1976 teve a primeira turbina eólica ligada à rede pública na Dinamarca, a partir daí
houve um processo de desenvolvimento tecnológico, o que tornou a energia eólica uma fonte de
energia alternativa de relevância mundial e de mínimo impacto ambiental, comparada a outras fontes
de energia. Seu processo de geração é limpo, isento de contaminações e não emite poluentes
causadores do efeito estufa (BARBOSA, 2008).
Na figura 1 é mostrado o percentual de oferta interna de energia elétrica por fonte, e
energia eólica no Brasil ainda é tem um percentual pequeno comparado com as outras fontes de
energia elétrica gerada no país, porem o Brasil segue com investimentos em novas fontes de energia,
sendo a eólica uma com potencial de crescimento, principalmente nas regiões costeiras do país onde a
velocidade média dos ventos é considerada suficiente para instalação de parques eólicos ou apenas de
pequenos geradores de energia através da utilização das forças do vento.
Figura 1. Balanço energético nacional ano base 2011.
Fonte: Adaptado do MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA (2012).
Com a utilização de hidrelétricas tem-se a necessidade da construção de redes de
distribuição de energia elétrica para as todas as regiões a qual serão abastecidas pela mesma, segundo
Silveira (2011), gerando isoladamente energia através da implantação de parques eólicos pode-se
reduzir a necessidade de grandes redes de distribuições de energia, devido à proximidade dos pontos
de uso com as diversas fontes de geração, evidentemente em locais que possibilitem a implantação dos
parques geradores.
A utilização das forças dos ventos não deve ser vista como apenas nos grandes parques
eólicos, mas também nas pequenas e médias instalações, onde deve ser feito o dimensionamento
correto e verificado o potencial médio dos ventos no decorrer do ano, pode ser um negócio rentável,
mas sempre sendo necessário um estudo do local do projeto de instalação, do custo e capacidade dos
aero geradores e um comparativo com o prazo de retorno do investimento (BARBOSA, 2008).
Para uma melhor utilização dos ventos necessita-se de tecnologias que possam fazer a
avaliação correta do potencial eólico, avaliando a capacidade de transformação de energia cinética dos
ventos em energia elétrica. Segundo Horn (2010), simulações computacionais são capazes de
representar o processo de geração de energia direcionando quais os melhores modelos de geradores e
pás da turbina para a região estudada.
O uso da energia limpa, tem sido cada vez mais difundida no mundo, o Brasil acompanha
esta tendência de desenvolvimento energético buscando tecnologias que possam aproveitar melhor a
energia cinética dos ventos através de avaliações cada vez mais precisas, otimizando a geração de
energia elétrica (HORN, 2010).
O Uso de simulações computacionais tem a capacidade de representar o processo de
funcionamento das pás da turbina, possibilitando maior precisão no dimensionamento dos eixos dos
aero geradores, favorecendo o melhor aproveitamento da capacidade de geração de energia, tornando
cada vez, mas rentável a utilização de energia eólica (HORN, 2010).
Conforme a RMAI (2013), em 2012 houve um crescimento da expansão contínua da
indústria de 10% e o aumento da capacidade instalada de utilização de energia eólica de
aproximadamente 19%, sendo também um ano recorde neste âmbito nos Estados Unidos.
A utilização de aerogeradores podem serem feitas em várias localidades, sendo
considerado o potencial eólico local como determinante no uso desta energia limpa, esta cada vez mais
viável se utilizar destas fontes de energias mesmo em pequenas propriedades, onde muitas vezes a
rede elétrica tem dificuldade de chegar um aero gerador permite a propriedade ser abastecida com
energia elétrica gerada com o aproveitamento das forças dos ventos, esta mesma força não
necessariamente é viável apenas em grandes parques eólicos que necessitam de grandes investimentos
em instalações, maquinários e requerem uma grande preocupação quanto aos seus efeitos ao meio
ambiente (MATTUELLA, 2005).
O Brasil é o décimo quinto país com maior potencial eólico instalado no mundo e o maior
da América Instalada. O país teve um incremento de 1GW, fazendo com que o mesmo tivesse o oitavo
maior crescimento no ano de 2012 (REVISTA FUNDAÇÕES E OBRAS GEOTÉCNICAS, 2013).
Projetos já estão sendo desenvolvidos no estado do RS para aprimorar a coletada de
dados e utilização dos recursos eólicos aqui presentes, os Programas de Incentivo às Fontes
Alternativas (PROINFA) incentiva a utilização de aero geradores produzidos no Brasil para geração
de energia em pequenas localidades. Comparando os principais fornecedores de aero geradores do
mercado com a relação custo beneficio da implantação na propriedade, a utilização dos ventos na
geração de energia pode ser viável e com prazo de retorno do investimento em menos de dois anos
(MATTUELLA, 2005).
Conforme BARBOSA (2008), a instalação de sistemas eólicos em nível residencial é
baixa e está em seu princípio e também não há muitos estudos a estes níveis. As instalações
residenciais sofrem efeitos que em usinas não seriam tão evidentes, como o local de instalação e a
variação dos ventos, pois as usinas são colocadas em locais estratégicos e os residenciais tem uma
grande restrição de local de instalação devido à falta de opções, podendo abranger apenas o local da
própria residência, locais que podem não captar o vento necessário e também que pode haver uma
grande variação de ventos.
Devido à energia eólica depender exclusivamente da disponibilidade dos ventos e de sua
intensidade, é muito difícil suprir toda a demanda de energia elétrica exclusivamente desta fonte,
porém por ser de uma fonte renovável e sem danificar o meio ambiente, deve-se usufruir desta fonte o
máximo possível, deixando o excedente para as demais fontes SANTUCCI (2009).
2. DESCRIÇÃO E ANÁLISE DE DADOS
Como podemos ver na tabela 1, nosso planeta tem muito potencial de exploração das
forças dos ventos, podendo estas serem transformadas em energia elétrica, uma fonte limpa e
renovável e que aos poucos vem sendo explorada devido às novas tecnologias de transformação de
ventos em energia elétrica que a cada dia estão mais acessíveis para o aproveitamento da energia
eólica, tanto nos grandes parques eólicos tanto em pequenas e médios empreendimentos cujo tenham
características positivas à implantação de aero geradores.
Tabela 1. Estimativas do potencial eólico mundial
Potencial
Densidade
Porcentagem de
Região
Bruto
Demográica
terra ocupada
(TWh/ano)
(hab/km2
África
24
106.000
20
Austrália
17
30.000
2
América do Norte
35
139.000
15
América Latina
18
54.000
15
Europa Ocidental
42
31.400
102
Europa Ocidental &ex URSS
29
106.000
13
Ásia(excluindo ex URSS
9
32.000
100
Mundo**
23
498.400
Fonte: Adaptado de GRUBB (1993).
Potencial líquido
(TWh/ano)
10.600
3.000
14.000
5.400
4.800
10.600
4.900
53.000
Figura 2. Velocidade média anual do vento a 50m de altura
Fonte: FEITOSA (2003).
A figura 2 mostra um mapa dos principais pontos de ventos no Brasil com velocidade
favorável a exploração destes para geração de energia elétrica, mostrando as principais regiões que
tem potencial de aproveitamento dos ventos.
Com tais informações podemos direcionar os trabalhos de viabilidade de implantação de
um parque eólico ou simplesmente um aero gerador para fornecimento de energia elétrica em
residências, mas antes de qualquer implantação destes equipamentos é necessário um estudo local de
viabilidade em função da variação dos ventos que podem ocorrer, sendo este um fator determinante
para o sucesso da implantação.
A Figura 3 representa as partes de um aero gerador da marca Air Breze, e na tabela 2 as
especificações técnicas, que conforme cálculo de viabilidade representa a melhor opção para
implantação de um sistema de energia eólica em uma residência.
Os aero gerados capazes de transformar a força cinética dos ventos em eletricidade, são
compostos basicamente, de pás que giram em função da velocidade e sentido dos ventos, também
composto por um aero gerador de energia capaz de transformar força cinética em energia elétrica, tem
um sistema de carregamento de baterias com a energia produzida pelo gerador, possibilitando que a
energia gerada durante o decorrer do dia, ser utilizada durante a noite ou nos horários que geralmente
tem maior consumo.
Figura 3. Especificações Técnicas do Air Breeze
Fonte: Manual do proprietário Air Breeze.
Tabela 2. Especificações Técnicas do Air Breeze
Item
Especificação
Modelo
Air Breeze
Peso
6 Kg
Diâmetro do Rotor
1,17m
Velocidade do Vento no Arranque
2,7 m/s
Kilowatt Horas/mês
38 kWh/mês @ 12mph / 5,4 m/s velocidade média do
vento
Velocidade Máxima do Vento
49,5 m/s
Potência Nominal
160 watts @ 28 mph / 12,5 m/s velocidade do vento
Certificações
CSA (certificado 1954979)
Gama de temperatura de Funcionamento Air Breeze é certificado sob os requisitos IEC aplicáveis a
gama de temperatura -10°C a 40°C.
Fonte: Manual do proprietário Air Breeze.
3. TECNOLOGIA NECESSÁRIA PARA MONTAGEM DO SISTEMA
A aplicação deste sistema de geração de energia através de meio eólico se dará á um nível
residencial com consumo médio de 500 kWh/Mês, com isso será necessário adquirir equipamentos
para que se possa suprir a maior parte possível deste consumo, sendo que o consumo excedente será
realizado de energia elétrica convencional.
A montagem do sistema na residência se dará similar à Figura 4 conforme abaixo:
Figura 4. Exemplo ilustrativo de montagem de um sistema eólico
Fonte: Adaptado de Aero gerador Air Breeze Marine.
O sistema necessita de um ou mais aerogeradores com controlador acoplado, bateria(s) e
um inversor, cada equipamento com uma finalidade específica:
Aerogerador - responsável por fazer a captação dos ventos através da rotação das hélices
e transformar em energia elétrica.
Controladores acoplados nos aerogeradores - tem a função de controlar a energia que é
enviada para as baterias, para não prejudicarem a vida útil das baterias.
Bateria (estacionária) – tem a função de armazenar a energia captada pelo aerogerador.
Inversor – tem a função de transformar a tensão da energia elétrica das baterias para a
utilização na residência, de 12 v CC para 220 v ou 110 v CA.
Primeiramente foram avaliados os aerogeradores existentes no mercado e foi constado
que há domínio no mercado da marca Air Breeze, pois dificilmente se encontra equipamentos de
outras marcas com custo similar para equipamentos com tecnologia semelhante. Porém foi constatado
que há uma oscilação grande de preços do mesmo equipamento, podendo chegar em alguns casos no
dobro do valor comparando o custo de uma loja para outra. Foi orçado apenas um equipamento
conforme Figura 5, o Aero gerador Air Breeze Land de 160 w de potencia nominal e com garantia de
três anos a um valor de R$ 1999,00, com especificações técnicas conforme tabela 3.
Figura 5. Aerogerador Air Breeze Land
Fonte: Adaptado de Aerogerador Air Breeze Marine.
Tabela 3. Especificações técnicas do Aerogerador Air Breeze Land
Diâmetro do rotor
1.17m
Peso
5.9 kg
Vento para início de geração
2.68m/s
Potencial nominal
160 watts a 12.5 m/s (300 W pico)
Voltagem nominal
Disponível 12 V
Controlador da turbina
Microprocessador regulador interno inteligente
Corpo
Alumínio reforçado de altíssima qualidade
Hélices
Molde triplamente injetado
Proteção de sobrecarga
Controle eletrônico de torque
Kilowatt Hora por Mês
40 kWh/mês a 5.5 m/s
Vento limite
49.2 m/s (177 km/h)
Dimensões da embalagem
686x318x229 mm (7.7 kg)
Garantia
3 anos
Vida Útil
Superior a 20 anos
Fonte: Adaptado do Manual do proprietário Air Breeze.
As baterias orçadas foram, a bateria Moura, a GetPower e a Freedom, onde a mais viável
e com maior durabilidade foi à bateria Moura Clean 12 v 105Ah, com custo de R$ 439,00 e vida útil
de 5,47 anos á um nível de descarga de 20%. Segue também, conforme tabela 4 as especificações
técnicas das baterias orçadas.
Tabela 4. Especificações Técnicas das baterias
Bateria Moura
Bateria GetPower
Bateria Freedom
12
V
12
V
12 V
Tensão Nominal
105 Ah
100 Ah
105 Ah
Capacidade Nominal
32,8 x 17,2 x 22,2
33,0 x 17,2 x 24
Dimensões (cm) 33,0 x 17,2 x 24,4
27,3 Kg
30 Kg
27,1 Kg
Peso
5,47 anos
Não fornecido
4,1 anos
Vida útil (20% de descarga)
Fonte: Dos Autores.
Os inversores orçados foram o Xpower 1100, o Xpower 3000 e o Hayonik 1000, e como
a configuração do sistema necessita de um inversor de 1000 w, o inversor Xpower 3000 foi descartado
por tem potência superior à necessária, conforme especificações técnicas ilustradas na tabela 5, sendo
assim sem necessidade de um investimento maior sem necessidade.
Dos dois inversores restantes foi escolhido o Xpower 1100 com custo de R$ 1169,00 por
ser o inversor com menor custo de aquisição e com as características necessárias.
Tabela 5. Especificações técnicas dos Inversores
Xpower 1100W
Xpower 3000W
115
VAC
+/5%
115
VAC +/- 5%
Voltagem de saída
60Hz +/- 4Hz
Frequência AC 60Hz +/- 4Hz
< 0.3 A
< 0.6 A
Consumo interno sem carga
Senoidal
Senoidal
Formato de onda
modificada
modificada
90%
90%
Eficiência
11 Volts
11 Volts
Alarme de baixa voltagem
Voltagem de desligamento
10.5 Volts
10.5 Volts
automático
2
2
Tomada de saída
Sim
Sim
Proteção térmica
Sim
Sim
Proteção de sobrecarga
Sim
Sim
Proteção de curto-circuito
1 ano
1 ano
Garantia
2.9 Kg
9 Kg
Peso
290 x 240 x
470 x 200 x
Dimensões do produto
83mm
160mm
Fonte: Dos Autores.
Hayonik 1000W
115 VAC +/- 5%
60Hz +/- 4Hz
Não fornecido
Onda senoidal
pura
80%
10.5 Volts
10 Volts
2
Sim
Sim
Sim
1 ano
315 210 x 90
4. ANÁLISE DE CUSTOS
Para realizar o levantamento de custo foram mensurados os itens principais como
aerogerador, bateria, inversor e materiais de instalação.
Desprezando itens mais específicos e que precisariam de uma análise de um especialista
para fazer a mensuração e estruturação, como sistema elétrico, cabeamento, disjuntores, torre, etc.
A tabela 3 ilustra os itens orçados e mensurados para o sistema eólico residencial, como
quatro aerogeradores, uma bateria e um inversor.
O custo da bateria foi utilizado em 70% levando em consideração seu tempo de vida útil.
Aerogerador
Bateria
Inversor
Instalação e materiais de instalação
Total
Fonte: Dos Autores.
Tabela 6. Custos
Quantidade
Custo unitário
4
R$ 1.999,00
0,7
R$ 439,00
1
R$ 1.169,00
1
R$ 500,00
Custo total
R$ 7.996,00
R$ 302,72
R$ 1.169,00
R$ 1.000,00
R$ 10.467,72
Para montar o sistema é necessária a utilização de quatro aerogeradores, pois é a melhor
combinação custo/benefício para a utilização numa residência de consumo médio mensal de 500kwh,
conforme custos listados na tabela 3. É necessária a utilização de uma bateria, porém para fazer o
cálculo de viabilidade foi calculado o valor de 0,7 sendo que cada bateria, conforme informação
fornecida pelo fornecedor, dura 5,47 anos, pois está sendo analisado um período de 3,6 anos, conforme
análise de custo/benefício. Com mais um inversor e o custo da instalação, o sistema total instalado
custará R$ 10.467,72.
Tabela 7. Análise Custo/benefício
Análise de Custo/Benefício
Aparelhos e instalação de sistema eólico
Custo do kWh (residencial)
Produção de energia eólica mensal em KW (potencia nominal do aerogerador)
Economia mensal
Tempo de retorno do investimento (anos)
Fonte: Dos Autores.
R$10.467,72
R$ 0,50
460
R$230,00
3,8
Fazendo a análise de custo, conforme ilustrado na tabela 4, a partir do custo dos
equipamentos e da instalação e evidenciando a economia mensal de R$ 230,00, que é resultante da
produção de 460 KW através do aerogerador multiplicado ao custo de R$ 0,50/KW, que é o valor
cobrado pela CEEE (Companhia Estadual de Energia Elétrica – Rio grande do Sul), no mês de Maio
de 2013, temos um tempo de retorno do investimento de 3,8 anos.
O cálculo de custo/benefício é feito considerando a potência nominal do aerogerador, mas
a energia adquirida varia de acordo com a velocidade do vento do local onde é instalado o aerogerador
e também a altura de instalação do aerogerador. Deve ser verificando a velocidade média dos ventos
de cada região, a 50 metros de altura do solo. Também deve ser analisada a altura em que será
instalado o aerogerador e as barreiras de vento, como prédios e árvores, que podem existir e interferir
no vento captado pelo aerogerador.
5. CONCLUSÃO
O sistema eólico analisado teve o retorno esperado, com tempo de retorno do
investimento de 3,8 anos, um prazo ótimo considerando o investimento inicial de R$ 10.467,72.
A implantação do sistema com aerogerador pode ser viável em pequenas propriedades ou
em residências, porém antes de qualquer instalação é necessário fazer uma análise detalhada
tecnicamente, avaliando a velocidade média dos ventos do local a ser instalado e também itens como
altura da torre, local de instalação e equipamentos necessários.
A pouca utilização do sistema eólico a nível residencial se deve a dois fatores principais,
primeiramente pela falta de divulgação dos sistemas de geração de energia através dos ventos,
demonstrando suas características e formas de aplicação.
A segunda é o apoio governamental, que atualmente incentiva a geração de energia
subsidiando as tarifas sobre estas fontes de energia, porem este subsídio não foi considerado nos
cálculos de retorno de investimento deste trabalho.
A instalação deste sistema em locais de difícil acesso tem vantagem comparada ao
sistema de redes de energia elétrica convencional, onde requer maior investimento na construção da
rede elétrica, com a análise correta das características do local e o mesmo sendo favorável a instalação
de aerogerador, é possível a redução do prazo de retorno do investimento.
A aplicação de sistemas eólicos em nível residencial necessita passar por uma quebra de
paradigmas, pois o sistema além de viável é sustentável, esta a cada dia investindo no
desenvolvimento de novas tecnologias de aproveitamento das forças dos ventos, o que possibilita mais
facilidade no momento da implantação e redução dos custos com o sistema, popularizando a ideia de
geração de energia limpa utilizando as forças dos ventos. Atualmente os materiais técnico e teórico de
aplicações de sistemas de pequeno porte não são difundidos ao ponto de incentivar a instalação do
sistema em grande escala, tem também a restrição dos fornecedores que não são muitos e possuem
preços ainda não popularizados, sendo estes pontos importantes para a análise do poder publico que
deve acompanhar o crescimento nas buscas de novas tecnologias para fontes de energia sustentável.
6.
REFEÊNCIAS
AEROGERADOR AIR BREEZE MARINE. Disponível em
<https://www.energiapura.com/content/aerogerador-air-breeze-marine> Acesso 03.2014.
BARBOSA, Ana Carolina Lourenzi; Avaliação ambiental do uso da energia eólica para usuários
de pequeno porte. Trabalho de conclusão do curso de Ciências administrativas– UFRGS, Porto
Alegre, 2008.
FEITOSA, E. A. N. et al. Panorama do potencial eólico no Brasil. Brasília: ANEEL, 2003.
GRUBB, M. J; MEYER, N. I. Wind energy: resources, systems and regional strategies. In:
JOHANSSON, T. B. et. al. Renewable energy: sources for fuels and electricity. Washington, D.C.:
Island Press, 1993.
HORN, Diego Anderson; Análise numérica da esteira aerodinâmica formada por uma turbina
eólica com dimensionamento ótimo de Beltz. Trabalho de conclusão do mestrado em Engenharia–
UFRGS, Porto Alegre, 2010.
MANUAL DO PROPRIETÁRIO AIR BREEZE. Disponível em:
<http://www.neosolar.com.br/media/pdf/manuais/southwest_airbreeze200_manual_pt.pdf> Acesso
em: 03/2014.
MATTUELLA, Jussara Leite; Fontes energéticas sustentáveis: Um estudo sobre a viabilidade do
aproveitamento da energia eólica em três localidades, no RS. Trabalho de conclusão do mestrado
em Engenharia Civil– UFRGS, Porto Alegre, 2005.
MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA. Balanço energético nacional 2012 – Ano base 2011:
Síntese do relatório final. Rio de Janeiro: EPE, 2012.
REVISTA FUNDAÇÕES E OBRAS GEOTÉCNICAS, publicado em abril de 2013.
RMAI (Revista Meio Ambiente Industrial). Energia Eólica Mundial: crescimento sólido em 2012.
Revista Meio Ambiente Industrial, Fevereiro de 2013.
SANTUCCI, Jô. Conselho em Revista. De Vento em Popa – CREA/RS, edição de Setembro de 2009.
SILVEIRA, Stevan Ruschel de. Geração descentralizada de energia através de fonte alternativa.
Trabalho de conclusão do curso de Engenharia Elétrica– UFRGS, Porto Alegre, 2011.