IN TRODUÇÃO A SISTEMAS INTRODUÇÃO DE ENERGIA SOR FOTOVOICA
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Sumário 1. Introdução
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1.1. Arqutetura Bocmáca
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1.2. Energia solar Fototérmica
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1.3. Energia Solar Fotovoltaica
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2. Sistemas fotovoltaicos 2.1. Cassicação dos sstemas fotovotacos
14 14
2.1.1. Sistemas Isolados
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2.1.1.1. Sistemas Híbridos
15
2.1.1.2. Sistemas Autônomos (Puros)
15
2.1.1.3. Sistemas Autônomos Sem Armazenamen Armazenamento to
15
2.1.2. Componentes de Um Sistema Fotovoltaico Autônomo
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2.1.3. Sistemas Conectados à Rede (On-Grid)
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2.1.3.1. Beneícos ao usuáro
17
2.1.3.2. Componentes de Um Sstema Fotovoltac Fotovoltaco o Conectado À Rede (On-Grd)
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3. Radiação Solar e Efeito Fotovoltaico
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3.1. Geometria Solar
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3.2. Radiação Solar ao Nível do Solo
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3.3. Medindo o Potencial Solar
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3.3.1. Horas de Sol Pico
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3
3.4. Efeito Fotovoltaico
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3.4.1. Princípios de funcionamento
26
4. Células Fotovoltaicas
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4.1. Tipos de Células fotovoltaicas 4.1.1. Silício Cristalizado
32
4.1.1.1. Slco Monocrstalno
33
4.1.1.2. Slco Polcrstalno
33
4.1.2. Células de Película Fina
34
4.1.2.1. Slco Amorfo (a-S)
35
4.1.2.2. Disseleneto de Cobre e Índio (CIS)
36
4.1.2.3. Telureto de Cádmo (CdTe)
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4.1.3. Tabea de Eicêncas
39
5. Módulos Fotovoltaicos
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5.1. Caracterscas dos Móduos Fotovotacos
4 4
32
43
5.1.1. Caracterscas Fscas e Mecâncas
43
5.1.2. Caracterscas Eétrcas
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5.2. Condições de Teste e Operação
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5.3. Assocação de Móduos Fotovotacos
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5.4. Sombreamento, Pontos Quentes e Diodos de Proteção
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5.4.1. Diodos de By-Pass
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5.4.2. Diodos de Bloqueio
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6. Painel e Arranjo Fotovoltaico 6.1. Estruturas de Suporte e Ancoragem
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6.1.1. Suportes para telhado
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6.1.2. Suportes Para Instalação Em Plano Horizontal
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6.1.2.1. Orentação do Panel Fotovoltaco
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6.1.2.2. Inclnação do Panel Fotovoltaco
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6.1.3. Suporte em Forma de Mastro
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6.2. Cálculos de Sombreamento
7. Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede 7.1. Inversores On-Grid
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64 64
7.1.1. Cassicação e Tpos de Inversores Grd-Te
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7.1.1.1. Inversores Controlados/Chaveados pela Rede
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7.1.1.2. Inversores Autorregulados (Auto Chaveados)
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7.1.1.2.1. Inversores Auto-Chaveados com Transformador de Baxa Frequênca (LF)
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7.1.1.2.2. Inversores com Tranformadores de Alta Frequenca (HF)
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7.1.1.2.3. Inversores sem Transformadores
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7.1.1.3. Caracterscas e Propredades dos Inversores Grd-Te
68
7.1.1.4. Eicênca de Conversão (Converson Ecency) – ηCON
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7.1.1.5. Eicênca de Rastreamento (Trackng Ecency) – ηTR
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7.1.1.6. Eicênca Estáca (Stac Ecency) – ηINV
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7.1.1.7. Eicênca Européa (Euro Ecency) – ηEURO
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5
7.1.1.8. Comportamento em Sobrecarga
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7.1.1.9. Regstro de Dados Operaconas
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7.1.1.10. Outras Caracterscas dos Inversores Grd-Te
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7.2. Painel Fotovoltaico Para Sistemas On-Grid 7.2.1. Caixas de Junção
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7.2.2. Conigurações e Concetos
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7.2.2.1. Sstemas com Inversor Central
75
7.2.2.1.1. Sstema com baxa tensão de entrada (<120 VCC)
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7.2.2.1.2. Sstemas com Alta Tensão de Entrada (>120 VCC)
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7.2.2.1.3. Sstema Mestre-Escravo (Master-Slave)
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7.2.2.2. Sstemas de Grupos de Módulos
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7.2.2.3. Sstemas com Módulos CA
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8. Sistemas Fotovoltaicos Autônomos
6 6
74
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8.1. Painel Fotovoltaico
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8.2. Banco de baterias
81
8.2.1. Funções do banco de baterias
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8.2.2. Baterias para Sistemas Fotovoltaicos
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8.2.2.1. Constução e funconamento de uma Batera de Chumbo Ácdo
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8.2.2.2. Tpos de Bateras de Chumbo-Ácdo
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8.2.3. Desempenho e Caracterscas das Bateras de Chumbo-Ácdo
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8.2.4. Efetos do Envehecmento nas Bateras
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8.2.5. Cudados com Bateras Estaconáras:
8.3. Controador/Reguador de Cargas
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8.3.1. Formas de Controe de Carga
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8.3.1.1. Controladores Sére
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8.3.1.2. Controladores Shunt
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8.3.1.3. Controladores com MPPT
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8.3.2. Crtéros de Seeção de um Controador
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8.4. Inversores Autônomos
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8.4.1. Caracterscas dos nversores Autônomos
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8.4.2. Crtéros de Seeção de Inversor Autônomo
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9. Dmensonando Sstemas Fotovotacos Autônomos
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9.1. Banco de baterias
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9.2. Painel Fotovoltaico
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9.2.1. Inluênca do Controador de Carga
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9.2.2. Inluênca da Dsponbdade Soar no Loca
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9.2.3. Inluênca da Incnação do Pane Fotovotaco
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9.2.4. Calculando o número de Módulos Fotovoltaicos
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9.2.5. Escoha do Controador de Carga
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Bbograia
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Prefácio
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Prefácio Esa aposa fo crada para dar supore a odos os neressados em conhecer a ecnooga por rás da Energa Soar Foovoaca. Apresena uma nrodução às ecnoogas de geração de eercdade por fone foovoaca, seus usos e apcações no Bras. Os capuos 1 e 2 expcam o que são os ssemas foovoacos, sua cassicação e uzação. O capuo 3 faa sobre a Energa Soar, o poenca brasero e sobre o efeo foovoaco. Os capuos 4 e 5 deaham as ecnoogas das céuas foovoacas uzadas para a fabrcação dos móduos. O capuo 6 aborda aspecos da concepção dos panés foovoacos, faando sobre orenação, ncnação e esudo de possves causadores de sombras. O capuo 7 faa de ssemas foovoacos conecados à rede e por im, o capuo 8 aborda os ssemas foovoacos auônomos. Esperamos que com esa aposa o eor possa icar compeamene famarzado com os equpamenos e conceos empregados nesa ecnooga. Tenamos apresenar o coneúdo de forma que ee seja ú ano para pessoas com conhecmenos écncos prévos, quano para egos em eercdade e engenhara. Obvamene, é neváve que aguns ermos écncos apareçam, mas nada ão compexo a pono de prejudcar o compreendmeno do odo. Convdamos você, eor, a frequenar e parcpar de nossos grupos de dscussões em nossas redes socas, onde ncenvamos a formação de uma comundade vrua sobre o ema como forma de enrquecmeno do aprendzado. Bog da Bue So - Nocas do setor e textos técncos
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Autor
Ronson d Souza (ronsondsouza@bue-so.com)
Edição e diagramação
Luz Rafae Passar (uzrafae@bue-so.com)
Todos os dreos reservados a Bue So Energa Soar Av. Anôno Dederchsen 400 - Saa 808 Jardm Amérca / Rberão Preo - SP CEP: 14020-250 www.blue-sol.com
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Introdução
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1. Introdução O desenvovmeno da socedade humana esá areado à ransformação do meo ambene e obenção de energa. Durane o desenvovmeno da nossa socedade icou evdene a carênca de energa em odos possves ocas da convvênca humana, e nas úmas décadas emos vso o apeo de váras vozes que nos mosram o mnene do im dos combusves fósses, o menso mpaco ambena causado por essas fones de energa e a nsusenabdade do modo como obemos a energa que nos move. Enquano sso, em muas frenes, emos o desenvovmeno de novas formas de geração de energa e recenemene vemos o reconhecmeno das fones renováves, não mas como fones de energa aernava, mas como fones de energa prmáras, cujas prncpas represenanes são: Energa Hdreérca;
•
•
Bomassa
•
Energa Eóca
•
Energa Soar
Todas as formas de energa que conhecemos dervam da energa soar. É a energa do so que aera o esado ísco da água, fazendo com que essa mgre e possa ser represada e aproveada nas usnas hdreércas. O aquecmeno das massas de ar provoca os venos, que são aproveados nos aerogeradores dos parques eócos É a energa soar, absorvda na foossnese, que dá vda às panas uzadas como fone de energa de bomassa. Aé mesmo o peróeo, que vem de resos de vegeação e anmas pré-hsórcos, ambém é dervado do so, pos ese deu a energa necessára ao aparecmeno da vda na erra em eras passadas. Podemos, aravés desse pono de vsa, consderar que odas as formas de energa são renováves, nfezmene não em escaa humana. As formas de energa renováve cadas acma são as que se renovam a cada da, permndo um desenvovmeno susenáve da vda e socedade humana. A energa soar que chega à Terra e um ano é muo maor que o consumo humano de energa no mesmo perodo. Infezmene odo esse poenca não é aproveado. O aproveameno arica da energa soar pode ser feo de rês modos: •
Arqueura Bocmáca
•
Efeo Fooérmco
•
Efeo Foovoaco
1.1. Arqutetura Bocmáca A arqueura bocmáca consse em formas de aproveameno da uz naura do so, do caor - ou evando-o - aravés de formas de negração arqueônca às condções ocas. Para aprovear correamene as condções nauras, a edicação deve ser panejada cudadosamene, o que pode sgnicar um ao rendmeno no aproveameno da energa naura do so, economzando ouras formas de energa mas soiscadas. Temos como exempo, os ssemas que aproveam mehor a uz naura durane o da, economzando eercdade.
1.2. Energia Solar Térmica O efeito fototérmico consse na capação da Irradação Soar e conversão drea em caor. É o que
ocorre com os Sistemas de Aquecimento Solar que uzam os Coletores Solares como dsposvo de capação energéca. Os Sistemas de Aquecimento Solar esão dfunddos no Bras, prncpamene devdo à sua ecnooga
mas smpes e aos bons preços. São ómos compemenos aos ssemas foovoacos, pos fornecem de manera eicaz e baraa, a energa necessára ao aquecmeno da água para uso sanáro, aquecmeno de pscnas e cmazação ambene. www.blue-sol.com
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boiler caixa d’água coletor solar
água fria água quente
Figura 1 - Sistema de aquecimento solar
1.3. Energia Solar Fotovoltaica O efeo foovoaco, observado por Edmond Bequere em 1839, consse no aparecmeno de uma dferença de poenca nos exremos de um semconduor, quando esse absorve a uz vsve. É o objeo de esudo dese vreo e a forma de capação de energa soar mas promssora. São nconesáves as vanagens da energa soar foovoaca: •
A matéria prima é nesgoáve
•
Não há emssão de pouenes durane a geração da eercdade
•
Os ssemas podem ser nsaados em odo o gobo
Infezmene a energa soar foovoaca em suas deicêncas: •
•
•
A densdade (o luxo de poenca que chega à superíce erresre) é pequeno (<1kW/m²), se comparado às fones fósses. A energa soar dsponve em uma ocadade vara sazonamene, aém de ser afeada peas condções cmaoógcas. Os equpamenos de capação e conversão requerem nvesmenos inanceros ncas mas eevados que os ssemas convenconas.
O baxo luxo de poenca soar requer grande área capadora, para ober maores poêncas. A varabdade da Irradiação Solar mpca no uso de ssemas de armazenameno, que são, em gera, pouco eicenes. Já o ao nvesmeno nca, eva a consderar a vabdade econômca de um projeo, endo em cona sua vda ú e odas as vanagens da uzação dessa forma de energa. Nas págnas segunes conheceremos um pouco mas sobre a capação da energa soar e conversão em energa eérca ú; os dsposvos uzados, e aguns deahes que permram um bom começo de esudos nessa neressane área. O esudo séro da energa soar foovoaca se desenvove em város ramos da cênca como: ísca, qumca, maemáca, asronoma, ec. É um mundo de conhecmeno, no qua peneramos a parr de agora.
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Sistemas Fotovoltaicos
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2. Sistemas fotovoltaicos Um ssema foovoaco é uma fone de poênca eérca, na qua as células fotovoltaicas ransformam a Radação Soar dreamene em energa eérca. Os ssemas foovoacos podem ser mpanados em quaquer ocadade que enha radação soar suicene. Ssemas foovoacos não uzam combusves, não possuem pares móves, e por serem dsposvos de esado sódo, requerem menor manuenção. Durane o seu funconameno não produzem rudo acúsco ou eeromagnéco, e ampouco emem gases óxcos ou ouro po de poução ambena. A coniabdade dos ssemas foovoacos é ão aa, que são uzados em ocas nóspos como: espaço, deseros, sevas, regões remoas, ec.
2.1. Cassicação dos sstemas fotovotacos Os ssemas foovoacos são cassicados de acordo à forma como é fea a geração ou enrega da energa eérca em: •
Ssemas Isoados
•
Ssemas conecados à rede (On-Grd) Sistemas Fotovoltaicos Energia Solar
Sistemas Conectados à Rede
Sistemas Isolados
Injetam Energia
Sem a rede
Sem Armazenamento Bombas
Sistemas Híbridos
Autônomos
Co-geração
Energia Solar
Conectado Diretamente à Rede Pública Fazendas Solares
Conectado Via Rede Appliances
PV + Aerogerador
Domésca Residenciais
Iluminação
Pequenas Aplicações Medições
Solar + Eólica
PV + Gerador Diesel Menos Baterias
Sistemas Autônomos CA
Doméscos
Sistemas Autônomos CC Telecom
Figura 2 - Tipos de Sistemas Fotovoltaicos
2.1.1. Sistemas Isolados Um Sstema Fotovoltaco Isolado é aquee que não em conao com a rede de dsrbução de
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eercdade das concessonáras. Os ssemas soados podem ser cassicados em Hbrdos ou Auônomos (Puros). Os ssemas auônomos podem ser com, ou sem armazenameno eérco. 2.1.1.1. Sistemas Híbridos
Figura 3 - Sistema híbrido eólico fotovoltaico
Um ssema foovoaco hbrdo rabaha em conjuno com ouro ssema de geração eérca, que pode ser um aerogerador (no caso de um ssema hbrdo solar-eólico) , um moo-gerador a combusve qudo (ex.: dese), ou quaquer ouro ssema de geração eérca. Um ssema hbrdo pode ou não possur ssema de armazenameno de energa. Quando possu, geramene o ssema de armazenameno em auonoma menor ou gua a um da. 2.1.1.2. Sistemas Autônomos (Puros)
Um ssema foovoaco puro é aquee que não possu oura forma de geração de eercdade. Devdo ao fao de o ssema só gerar eercdade nas horas de so, os ssemas auônomos são doados de acumuadores que armazenam a energa para os perodos sem so, o que aconece odas as noes, e ambém nos perodos chuvosos ou nubados. Os acumuadores são dmensonados de acordo à auonoma que o ssema deve er, e essa vara de acordo às condções cmaoógcas da ocadade onde será mpanado o ssema foovoaco. 2.1.1.3. Sistemas Autônomos Sem Armazenamento
São ssemas que funconam somene durane as horas de so. Temos como exempo os ssemas de bombeameno de água. As caracerscas das bombas são cacuadas evando em consderação a necessdade água e o poenca Solar da ocadade. O pane foovoaco é dmensonado para fornecer poenca para a bomba. Apesar de, geramene, não uzarem ssemas de armazenameno eérco, o armazenameno energéco é feo na forma de água no reservaóro.
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Figura 4 - Sistema de bombeamento fotovoltaico
2.1.2. Componentes de Um Sistema Fotovoltaico Autônomo
Um ssema foovoaco resdenca auônomo, geramene, possu os segunes componenes: 2 1
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Figura 5-Componentes de um sistema fotovoltaico autônomo
1 – Pane foovoaco; 2 – Conroador de Carga/Descarga das baeras; 3 – Banco de baeras; 4 – Inversor auônomo, para cargas em CA; 5 – Cargas CC ou CA; Nos capuos segunes serão expcados os deahes sobre cada um dos componenes de um ssema foovoaco auônomo.
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2.1.3. Sistemas Conectados à Rede (On-Grid) Os ssemas foovoacos conecados à rede fornecem energa para as redes de dsrbução. Todo o poenca gerado é rapdamene escoado para a rede, que age como uma carga, absorvendo a energa. Os ssemas conecados à rede, ambém chamados de on-grid , geramene não uzam ssemas de armazenameno de energa, e por sso são mas eicenes que os ssemas auônomos, aém de, geramene, serem mas baraos. Os ssemas On-Grid dependem de reguamenação e egsação favoráve, pos usam a rede de dsrbução das concessonáras para o escoamento da energa gerada.
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Figura 6 - Sistema conectado à rede
1 – Móduos Foovoacos 2 – Inversor Grd-Te –Transforma a correne connua do pane em correne aernada de 127 V/220 V e 60Hz, compave com a eercdade da rede. 3 – Inerrupor de Segurança. 4 – Quadro de Luz - dsrbu energa para casa. 5 – A eercdade amena os uensos e eerodoméscos 6 – O excedene voa para a rede eérca aravés do meddor fazendo-o rodar ao contrario, reduzndo a arfa de energa eérca. 2.1.3.1. Componentes de Um Sstema Fotovoltaco Conectado À Rede (On-Grd)
Um ssema foovoaco conecado à rede, geramene, possu os segunes componenes:
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Figura 7 - Componentes de um sistema fotovoltaico on-grid
1 – Pane foovoaco; 2 – Caxa de Junção do pane foovoaco; 3 – Cabeameno; 4 – Inversor Grid-Tie; 5 – Meddor(es) de energa; Nos capuos segunes serão deahados os prncpas equpamenos de uma nsaação foovoaca conecada à rede.
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Radiação Solar e Efeito Fotovoltaico
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3. Radiação Solar e Efeito Fotovoltaico A Energa rradada peo so em um segundo é muo maor que a energa consumda pea humandade desde o seu aparecmeno na face da Terra, aé os das de hoje. Toda essa energa, caro, não chega aé a Terra.
Figura 8 - Comparavo entre a energa soar e outras formas de energa
A energa soar é produzda peas reações nuceares que aconecem no neror do so a grandes profunddades. Em uma dessas reações os áomos de hdrogêno se combnam formando áomos de héo, e beram energa. Esa energa vaja do neror do so aé a sua superíce (chamada de foosfera), e da se rrada em odas as dreções. Essa energa rradada chega à Terra vnda do espaço aravés das parcuas de energa chamadas de fótons. Os fóons se desocam a uma veocdade de 300.000 km/s, por sso demoram cerca de 8 mnuos para chegar à Terra, que esá a aproxmadamene 150 mhões de quômeros do so. A radação soar é radação eeromagnéca que em dsrbução especra conforme a igura abaxo:
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Figura 9 - Espectro da radação eetromagnéca do so
3.1. Geometria Solar Sabemos que o so nasce no ese e se põe no oese, eevando no céu. Essa eevação é maor ou menor de acordo à época do ano. A erra se move em uma órba epca em orno do so e o exo de roação da Terra forma um ânguo de 23,5° com a normal ao pano da epse da órba da Terra. Esse ânguo é o responsáve pea duração do da e da noe nas dsnas esações do ano, e ambém é o responsáve pea varação da eevação do so no horzone à mesma hora, ao ongo do ano. A posção anguar do so ao meo da soar, em reação ao equador é chamada de Declnação Solar (δ). A decnação vara de acordo com o da do ano, com vaores enre: -23,45° ≤ δ ≤ 23,45°, sendo posvo ao Nore e negavo ao Su:
Figura 10 - Delinação solar e as estações do ano
A observação da aude da ocadade e da decnação deermna a rajeóra do so no céu, para um da deermnado. A segur, deahamos as reações geomércas enre a superíce erresres e os raos soares. Eses ânguos varam de acordo ao movmeno aparene do so na abóbada ceese: www.blue-sol.com
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Figura 11 - Relações geométrica sol-Terra-painel solar •
•
•
Ânguo de Incdênca (γ): é formado enre os raos soares e a norma à superíce de capação. Quano menor esse ânguo, mas energa será capada. Ânguo Azmuta De Superíce (aw): Enre a projeção da norma à superíce do pane soar e a dreção nore-su. Para o hemsféro su o azimute é o nore e, porano, o desocameno anguar será à parr dese pono cardea, sendo posvo em sendo horáro (ese) e negavo no sendo an-horáro (oese). O ânguo Azmua de superíce esará enre: -180° ≤ aw ≤ 180°. Inernaconamene convencona-se o azmue 0° como sendo o Su, e o Nore em ânguo azmua de 180°. Ângulo Azimutal do Sol (as): é o ânguo enre a projeção dos raos soares no pano horzona e a dreção Nore-Su. Tem as mesmas convenções que o Ânguo Azmua de Superíce.
•
Altura Solar (α): ânguo enre os raos soares e sua projeção sobre um pano horzona.
•
Inclinação (β): ânguo enre o pane soar e o pano horzona.
•
•
Ângulo Horário do Sol ou Hora Angular (ω): é o desocameno anguar do so, no sendo LeseOese, à parr do merdano oca, devdo ao movmeno de roação da Terra. A Terra dá uma voa compea (360°) em orno de s mesma em 24 horas. Porano, cada hora corresponde a um desocameno de 15°. Ângulo Zenital (θz): é o ânguo formado enre os raos soares e a verca (Zêne). O ânguo zena é o nverso da aura soar. O so só alcança o Zêne nas ocadades enre os rópcos (zona ropca). Fora dos rópcos, em nenhuma ocadade haverá, ao meo da soar, ânguo zena gua a zero.
O conhecmeno desses ermos é de exrema mporânca para o esudo de quaquer ssema de aproveameno de energa soar.
3.2. Radiação Solar ao Nível do Solo A nensdade da radação soar que chega à Terra é em orno de 1,3 kW/m² acma da amosfera. A quandade de Radiação que chega ao chão, no pano horzona depende da ocazação geográica, mas ambém das condções amosfércas, assm como do perodo (esação) do ano. A amosfera erresre age como um iro, que boquea uma pare dessa energa. Quano mas espessa for a camada amosférca a ser
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ao nve do soo. A camada amosférca amosférca será mas ou menos espessa, vencida, menor será a Irradiância solar ao de acordo à eevação do so, no momeno da medção. Essa espessura é medda aravés aravés de um coeicene chamado Massa de Ar (AM). A massa de ar nluenca aravés dos efeos efeos de absorção e dspersão (Rayegh e Me), por sso, quano mas eevado o so esver no céu, menores serão os efeos da camada amosférca. É mporane saenar que a poução amosférca amosférca poencaza esses efeos de absorção e dspersão.
Figura 12 12 - Reação entre o Ânguo de Incdênca e a Massa de Ar
A reação enre o coeicene coeicene AM e a aura soar soar e ânguo zena zena é a segune:
Devdo a esses faores, a máxma Irradânca Irradânca que chega à superíce erresre é em orno de 1.000 W/ m². A radação que vem dreamene dreamene do so é chamada de Radação Drea, e a que vem da abóbada celeste é chamada de difusa. Aém dessas duas, emos ambém a Radação de Albedo, que a energa soar releda da Terra, seja por vegeação, consruções, ec. A Irradânca de Abedo é muo pequena. A soma dessas Irradações é chamada de Irradação Soar Toa.
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Figura 13 13 - Gráico do espectro da radação soar dentro e fora da atmosfera terrestre
3.3. Medindo o Potenc Potencial ial Solar Para vabzar os projeos comercas comercas de ssemas de aproveameno aproveameno de energa soar são necessáros esudos sobre a radação soar na superíce erresr erresre. e. Esses esudos êm como base a medção da radaçã radação o exraerresre (reazada por saées meeoroógcos), junamene com a adoção de méodos de cácuos maemácos e a medção da radação soar ao nve do soo. Para cacuar a radação ao nve do soo são uzados dsposvos especicos normazados pea Organzação Munda de Meeorooga. Os pranômeros, preômeros, preômero s, heógrafos e acnógraf acnógrafos os são aguns desses aparehos. Esses esudos evam aguns anos para reornarem reornarem dados concreos, já que em que consderar város faores como, por exempo, as mudanças cmácas.
Figura 14 - Piranômetro
No Bras emos dos prncpas esudos sobre a radação soar em erróro brasero: o “Aas Soarmérco do Bras” – produzdo peo CRESESB (Cenro de Referênca em Energa Soar e Eóca Sergo de Savo Bro); e o “Aas Brasero Brasero de Energa Soar” Soar ” – produzdo pea Unversdade Federa de Sana Caarna em conjuno/para com o Projeo SWERA. Os dos esudos são compemenares e mosram as varações na radação capada na superíce do erróro brasero brasero ao ongo de um ano.
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O Aas Soarmérco apresena os vaores da radação no pano horzona ( H ) em mega joues por mero quadrado (MJ/m²).
Figura 15 - Radiação Solar Global Anual - Atlas Solarimétrico do Brasil
O Aas Brasero de Energa Soar apresena os resuados em quowas hora por mero quadrado. O vaor dado em kWh/m² é chamado de Horas de Sol Pico (HSP) ou Horas de Sol Pleno.
Figura 16 -Mapas de Radiação Solar - Atlas Brasileiro Brasileiro de Energia Solar
3.3.1. Horas de Sol Pico A Radação soar vara durane o da e em sua maor nensdade ao meio-dia-solar . À parr do momeno em que o so aparece no horzone aé o ocaso, a radação soar va do mnmo ao máxmo (ao meo-da-soar), e de voa ao mnmo. As nuvens nluencam a Irradiância Direta, fazendo com que mesmo ao meo-da-soar possamos capar menos energa que no começo da manhã ou ina da arde. Se coocarmos em um gráico a varação da Irradânca em um da médo, podemos observar as horas do da em que a Irradânca é próxma ou gua a 1000 W/m².
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Figura 17 - Gráico das Horas de So Pco
Esse vaor é de exrema mporânca para o cácuo de ssemas foovoacos, pos é nessas horas que um pane foovoaco esará gerando o seu máxmo durane o da. As horas de so pco esão compreenddas enre duas a rês horas anes e depos do meo-da-soar. O meo-da-soar aconece quando os raos de so esão se projeando na dreção Nore-Su, no merdano oca. Como o meo da soar vara ao ongo do ano, na maora das vezes será dferene do meo da no horáro cv. O CRESESB dsponbza uma ferramena de acesso ao banco de dados de radação soar em erróro brasero. Acesse esa ferramena de nome Sundaa peo segune nk: hp://www.cresesb.cepe.br/sundaa/ndex.php.
3.4. Efeito Fotovoltaico O ermo fotovoltaico sgnica a ransformação da radação soar dreamene em correne eérca, uzando as céuas foovoacas, ambém chamadas de céuas soares. As céuas foovoacas são consudas de materiais semicondutores como: silício, arseneto de gálio, telureto de cádmio ou disseleneto de cobre e índio (gálio). O sco crsano é o mas uzado, mas as ecnoogas de pecua ina ganharam mercado com a produção em arga escaa.
3.4.1. Princípios de funcionamento Os semconduores possuem a banda de valência oamene preenchda e a banda de condução oamene vaza a emperauras muo baxas. A separação enre as duas bandas de energa, chamada de
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gap de energia, é em orno de 1 eV.
Figura 18 - Gap de enegia nos semicondutores
Nos soanes o gap é de város eVs, varando conforme o maera.
Figura 19 - Comparavo do gap entre os pos de matéras
Isso dá aos semconduores deermnadas caracerscas especas, como o aumeno da sua conduvdade com o aumeno da emperaura, devdo à excação dos eérons da banda de vaênca para a banda de condução. Oura caracersca mporane, é a possbdade de fóons, na faxa do vsve e com energa suicene, excarem os eérons. Esse efeo que aconece nos semconduores puros, chamados de nrnsecos (), por s só não perme o funconameno do maera com céua foovoaca, pos a maora dos eérons voa a se reconbnar. Será descro a segur o funconameno e a preparação de uma céua foovoaca de sco. Cada áomo de sco em quaro eérons de vaênca, e para angr uma coniguração esáve se gam a quaro áomos vznhos, formando uma rede crsana. Nesse caso, não há eérons vres.
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Figura 20 - Cristal de Silício Intrínseco (i)
Para potencializar o efeo foovoaco o crsa de sco é dopado com subsâncas que aeram a sua rede crsana. Se ao sco for msurado áomos de Arsêno ou de Fósforo que possuem 5 eérons de vaênca, um desses eérons icará vre, permndo que com pouca energa érmca esse eéron salte para a banda de condução. Esse po de impureza é chamado de doadora de eérons, ou dopante n.
Figura 21 - Silício dopado com fósforo
Se doparmos o sco com maeras como o Aumno ou Boro, que possuem 3 eérons de vaênca, faará um eéron para crar uma gação covaene. Esse buraco se compora como uma carga posva, já que com pouca energa érmca um eéron vznho vem ocupar esse buraco, dexando um buraco onde esava fazendo com que haja uma movimentação do buraco . Esse po de mpureza é chamado de dopante p.
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Figura 22 - Silício dopado com boro
Se combnarmos as duas mpurezas no mesmo crsa intrínseco de sco, formamos uma Junção P-N. Na área de conao da junção, os eérons vres do semconduor Tipo-N luem para os buracos do semconduor Tipo-P aé que se forme um campo elétrico que mpede o luxo permanene de eérons.
Figura 23 - Difusão de elétrons na junção P-N
Se a Junção P-N for exposa à radação soar, os fóons com energa superor ao gap beram mas buracos-elétrons vres que cram uma correne eérca na área da junção. Aguns dos eérons berados são recombnados, se não forem capturados. Aém dsso, nem odo o especro da radação é aproveado.
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Figura 24 - Aproveitamento da radiação solar pelas células fotovoltaicas
Fóons com energa superor ou nferor à necessdade geram caor desnecessáro, que dmnu a eicênca da céua foovoaca. Veja na abea abaxo o baanço energéco de uma céua foovoaca de sco crsano: Tabela 1 - Aproveitamento da radiação solar pelas células de silício cristalino 100% -3,0% -23,0% -32,0% -8,5% -20,0% -0,5% = 13,0%
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Irradiação Solar Total Relexão e sombreameno dos conaos fronas Fóons com energa nsuicene na Irradânca de ondas comprdas Fóons com energa excedene na Irradânca de ondas curas Recombnação de eérons Gradene eérca, especamene na regão do campo eérco Ressênca em sére (perdas érmcas na condução eérca) Energa eétrca uzáve.
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Células Fotovoltaicas
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4. Células Fotovoltaicas Uma céua foovoaca é a undade básca de um ssema foovoaco. É a responsáve pea conversão da radação soar em eercdade. Como uma únca céua não é suicene para gerar poêncas eércas eevadas, os fabrcanes assocam váras céuas, e as encapsuam para proeção, formando assm um móduo foovoaco. Os móduos comercas dferem enre s por város faores, como a capacdade de gerar poenca, chamado de poênca-pco, faor de forma, área, ec. E esses vaores se aeram de acordo ao po de céua foovoaca uzada.
4.1. Tipos de Células fotovoltaicas
Figura 25 - Representação de uma célula fotovoltaica de silício cristalizado
A segur, os prncpas pos de céuas foovoacas produzdas em escaa comerca e suas prncpas caracerscas.
4.1.1. Silício Cristalizado O sco é o segundo maera mas abundane na naureza, perdendo apenas para o oxgêno. Enreano, o sco esá nauramene combnado a ouros maeras, e se apresena como dóxdo de sco e scaos. A area e o quarzo são as formas mas comuns. A area coném demasado eor de mpurezas para ser processada., já os depósos de quarzo chegam a possur 99% de S. É essa areia sílica que é processada para a obenção da maéra pura. Para a uzação do sco como maéra prma para a fabrcação das céuas foovoacas, esse deve ser puricado. São dos, os graus de puricação do sco: 1 – Sco meaúrgco, onde se combna ao quarzo quandades conroadas de carbono a aas emperauras. O oxgêno presene no quarzo é removdo na forma de CO 2 e, depos de ouros processos,
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serão obdas barras de sco com pureza de 98%. 2 – Sco grau semconduor (eerônco e soar), onde o sco é converdo aravés de ácdo cordrco (HC) a rcosano: S + 3 HC => S H C 3 + H2. Devdo ao seu baxo pono de ebução (31,8 °C), ese pode ser puricado peo méodo de desação fraconada, processo semehane ao uzado em reinaras de peróeo. Com a adção de H 2 aconece a segune reação qumca: S H C 3 + H2 => S + 3 HC. Após essa puricação, eremos crado um crsa de sco com aé 99,9999% de pureza, que é um dos maeras mas puros produzdos peo homem. É jusamene esse processo de puricação que encarece a cração das céuas foovoacas. 4.1.1.1. Slco Monocrstalno
Uma das formas de se ober o cristal único de sco, é aravés do méodo Czochrask. Durane esse processo, uma semente de crsa de sco é nserda numa cadera com sco pocrsano e, enquano o conjuno gra enamene, essa semente é erguda. A semene de sco orienta os áomos do mosto que se crsaza em uma únca formação crsana, por sso o nome: monocristal. Após o core do crsa em pashas, é deposado o fósforo, aravés de dfusão de vapor a emperauras enre 800-1200°C, e crada a rede de conaos fronas e raseras que recolherão os eérons berados peo efeo foovoaco. Também é feo um raameno anrrelexo na pare poseror. Eicênca: 15 – 18% (Czochrask) Forma: Geramene arredondadas, ou em formao de faa de pzza. Tamanho: geramene 10x10 cm² ou 12,5x12,5 cm²; dâmero 10, 12,5 ou 15 cm.
Espessura: 0,3 mm. Cor: geramene azu-escuro ou quase preo (com anrrelexo), cnza ou azu-acnzenado (sem anrrelexo). Fabricantes: a Asro Power, Bhara Eecroncs, BHEL, BP Soar, Canrom, CEL, CeSCo, Deusche Ce, Eurosoare, GE Energy, GPV, Heos, Humae, Isofoon, Kafeng Soar Ce
Facory, Kwazar JSC, Maharsh, Masusha Seko, Mcrosopower, Nngbo Soar Energy Power, Penafour Soec Technoogy, Phoowa, RWE Scho Soar, Sharp, She Soar, Soarec, Soar Wnd Europe, Soec, Somecs, Soerra, Sunech, Sunways, Teekom-STV, Tanjn Jnneng Soar Ce, Vva Soar, Webe SL, Yunnan Semconducor.
Figura 26 - Células de silício monocristalino
4.1.1.2. Slco Polcrstalno
Um dos processos de cração de sco pocrsano mas uzado é o de fundição de lingotes, onde
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o sco em esado bruo é aquecdo no vácuo aé uma emperaura de 1.500°C e depos resfrado aé uma emperaura de 800°C. Pode-se aproveitar o processo de puricação do sco, e já adconar o Boro. Nesse processo é uzado menos energa. Serão crados bocos de sco de 40x40 cm² com aura de 30 cm. O processo segue como o do sco monocrsano, com o core, raameno anrrelexo e cração dos conaos fronas. Eicênca: 13 – 15% (com anrrelexo) Forma: geramene quadrada. Tamanho: 10x10 cm², 12,5x12,5 cm², 15x15 cm².
Espessura: 0,3 mm. Estrutura: durane o resframeno, formam-se város crsas de sco com orenações dversas. Essa formação mucrsana é facmene reconhecda. Cor: azu (com anrrelexo), cnza praeado (sem anrrelexo). Fabricantes: A-Afand, BP Soar, Deusche Ce, ErSo, Eurosoare, GPV, Kwazar JSC, Kyocera, Maharsh, Msubsh, Moech, Phoovoech, Phoowa, Q-Ces, RWE Scho Soar, Sharp, She Soar, Soar Power Indusres, Soarec, Soerra, Sunech, Sunways, Tanjn Jnneng Soar Ce.
Figura 27 - Celulas de silício policristalino
4.1.2. Células de Película Fina O desenvovmeno das céuas foovoacas de pecua ina vem desde a década de 90. O maera semconduor é apcado em um subsrao, geramene vdro, aravés de deposção por vaporzação, deposção caódca ou banho eeroco. Os semconduores mas uzados são o silício amorfo (a-Si), o disseleneto de cobre e índio (gálio) (CIS-CIGS) e o telureto de cádmio (CdTe). Devdo à aa absorção umnosa, camadas de menor espessura ( 0,001 mm) são, em eora, suicenes para converer a uz soar em eercdade. Aém dsso, esses maeras são mas facmene dopados e requerem menores emperauras (enre 200°C e 500°C) para sua fabrcação, o que, combnado com a capacdade de auomação para produção em arga escaa, pode baraear o preço ina dos móduos. As céuas de pecua inam não em o amanho e o formao resro, como as céuas de sco crsazado.
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4.1.2.1. Slco Amorfo (a-S)
Figura 28 - Representação de uma célula de silício amorfo
O sco amorfo (sem forma) não possu uma esruura crsana, mas sm uma rede rreguar. Por sso se formam gações vres que absorvem hdrogêno aé a sauração. Esse sco amorfo hdrogenado (a-Si:H) é crando em reaores pasmácos, aravés de vaporzação qumca de sano gasoso ( SiH4), que requer emperauras reavamene baxas, em orno de 200°C a 250°C. A grande desvanagem das céuas de a-S é a sua baxa eicênca, que dmnu nos prmeros 6 a 12 meses de funconameno, devda à degradação provocada pea uz, peo chamado Efeito Staebler-Wronski , aé angr um vaor esáve. Eicênca: enre 5% a 9% de eicênca do móduo. Forma: formao vre. Tamanho: móduo sandard 0,77x2,44 m4; móduos especas 2x3 m². Espessura: 1-3 mm para o subsrao (pásco, vdro, ec.), com um revesmeno de sco amorfo de aproxmadamene 0,001 mm. Cor: casanho avermehado a azu escuro. Fabricantes: BP Soar, Canon, Dunasoar, ECD Ovoncs, EPV, Free Energy Europe, Fuj Eecrc, ICP, Iowa Thn Fm Technooges, Kaneka, MHI, RWE Scho Soar, Sanyo, ShenzhenTopray Soar, Snonar, Soar Ces, Terra Soar, Tanjn Jnneng Soar Ce, Uned Soar Ovonc, VHF Technooges.
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Figura 29 - Módulo de silíco amorfo
4.1.2.2. Disseleneto de Cobre e Índio (CIS)
Figura 30 - Representação de uma célula CIS
Para se fabrcar as céuas CIS o subsrao é revesdo com uma ina camada de mobdêno aravés de deposção caódca, e a camada CIS do po P pode ser fabrcada aravés da vaporzação smuânea do cobre, ndo e seêno, numa câmara de vácuo a 500°C, ou aravés da deposção camada a camada dos maeras. O óxdo de znco conamnado com aumno ( ZnO:Al ) é uzado como conao frona ransparene. Esse maera é do po N e é deposada uma camada nermedára de óxdo de znco intrínseco ( i-ZnO). Uma camada de sufao de cádmo ( CdS) do po N é uzada para reduzr as perdas causadas combnação nadequada das redes crsanas das camada de CIS e ZnO. Dferenemene do sco amorfo, céuas CIS não são suscepves à degradação causada pea uz, mas apresenam probemas de esabdade em ambenes quenes e húmdos. Por sso, os móduos fabrcados com esse po de céua em que er boa seagem. Os móduos CIS são os mas eicenes, denre os mosrados aqu, e é prováve que a produção em massa orne os seus preços mas aravos que os de sco amorfo. Infezmene as reservas de ndo esão cada vez mas reservadas à produção das eas touch-screen dos smartphones e tablets, compromeendo o
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uso desse maera para a ndúsra foovoaca. Eicênca: 7,5% a 9,5 % de eicênca do móduo. Forma: formao vre. Tamanho: geramene enre 1,2 x 0,6 m². Espessura: 3 mm para o subsrao com revesmeno de 0,003 mm. Cor: preo. Fabricantes: She Soar, Würh Soar, Showa She, EPV, Goba Soar, Daysar.
Figura 31 - Células CIS
4.1.2.3. Telureto de Cádmo (CdTe)
As céuas de CdTe são fabrcadas sobre um subsrao de vdro, com uma camada de óxdo de esanho ndo (OTI) como conao frona, que é revesdo com uma camada ransparene de sufao de cádmo ( CdS) do po N, e depos com a camada de eureo de cádmo ( CdTe) do po P. Podem ser fabrcados por silk screen, deposção gavânca ou pirólise pulverizada.
Figura 32 - Representação de uma célula CdTe
Assm como o CIS, a ecnooga de fabrcação do CdTe pode icar anda mas baraa com o aumeno da produção em escaa. A desvanagem esá na oxcdade do cádmo. O CdTe é um composo aóxco esáve, mas pode apresenar um rsco para o ambene e a saúde na condção de gás. Fezmene o esado gasoso só ocorre durane a sua fabrcação, em cenros de produção conroados. Eicênca: 6 – 9% de eicênca dos móduos.
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Forma: formao vre. Espessura: 3 mm para o subsrao com 0,008 mm de revesmeno. Tamanho: geramene 1,2 x 0,6 m². Cor: verde-escuro a preo Fabricantes: Anec, Frs Soar, Masusha.
Figura 33 - Módulo de CdTe
4.1.3. Tabea de Eicêncas
Tabela 2 - Eicênca dos dferentes pos de céuas fotovotacas Maera Sco Mono Sco Poy Sco Amorfo CIS, CIGS CdTe
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Eicênca em Laboraóro 24,7% 19,8% 13% 18,8% 16,4%
Eicênca em produção 18% 15% 10,5% 14% 10%
Eicênca em produção em sére 14% 13% 7,5% 10% 9%
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Módulos Fotovoltaico
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5. Módulos Fotovoltaicos Uma céua foovoaca de sco crsazado produz uma ensão de aproxmadamene 0,46 a 0,56 vos e uma correne aproxmadamene 30 mA/cm². As céuas comercas geram em orno de 1 A, 2,5 A, 3 A, 5 A e 7 A. Para acançar as poêncas comercas, os fabrcanes de móduos foovoacos conecam céuas foovoacas enre s, geramene em sére, em um processo de conexão que é feo sodando os ermnas da pare frona de uma céua à pare rasera da segune, e assm por dane. Para consrur um móduo de ensão nomna em 12 vos, serão conecadas enre 30 e 40 céuas (geramene 33, 36 ou 40).
Figura 34 - Conexão de células fotovoltaicas em série
O processo de monagem do móduo foovoaco pode ser feo de manera auomáca, aravés de maqunáro especazado, ou por manufaura, onde o processo de produção não perme uma aa produção em escaa.
Figura 35 - Máquna para conexão automáca de céuas
Após a conexão, as céuas serão encapsuadas na segune ordem:
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•
Uma âmna de vdro emperado;
•
Um maera orgânco, como o EVA (eeno-vn-aceao);
•
As céuas conecadas;
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•
Mas uma âmna de EVA (ou smar)
•
Uma coberura, que pode ser vdro, edar, PVC, ou ouros pomeros
Figura 36 - Máquina de corte dos materiais de encapsulamento
O conjuno será evado a uma máquna amnadora, que inaza a amnagem, dando esanquedade ao conjuno.
Figura 37 - Lamnadora de móduos fotovotacos
Por im o conjuno será emodurado (uzando geramene aumno anodzado), serão nserdas as caxas de conexão (e cabos/conecores) e o móduo será evado a um Simulador Solar.
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Figura 38 - Máquina de molduragem de módulos fotovoltaicos
Aém do smuador soar, os móduos passam por eses mecâncos como: •
Varação de emperaura enre -40°C aé + 85°C;
•
Teses de soameno sob humdade e congeameno;
•
Carga mecânca, ressênca a granzo e orções;
•
Ressênca de ermnas, ec.
Figura 39 - Simulador Solar
Os eses mecâncos deermnam a capacdade dos móduos ressrem às nempéres, os eses de soameno são para os eemenos conduores e modura. Os eses de orção deecam defeos que possam aparecer em caso de monagem de móduos em esruura nadequada.
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Figura 40 - Módulos fotovoltaicos comerciais
5.1. Caracterscas dos Móduos Fotovotacos Cada po de móduo, de acordo com a ecnooga uzada na céua, em suas caracerscas parcuares. Apresenaremos aqu, as caracerscas dos móduos de sco crsazado, pos são os mas uzados auamene. Os móduos são cassicados no mercado de acordo à sua poênca-pco (Wp), e ao po de céua. Mas para um écnco ou projesa, exsem ouras caracerscas a serem consderadas.
5.1.1. Caracterscas Fscas e Mecâncas Os móduos foovoacos comercas em forma quadrada ou reanguar. A espessura, sem a modura, não cosuma urapassar 4 cm. Não são muo pesados e, apesar da aparênca rgda, suporam geras deformações, adapando-se a esforços mecâncos.
Figura 41 - Corte transversal de um módulo fotovoltaico
As caxas de conexão possuem o soameno necessáro para a conexão dos cabos e a ouros móduos. Aém dsso, os móduos êm um pono de aerrameno, para os casos em que as conexões enre móduos cheguem a ensões maores.
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Figura 42 - Caixas de conexões de módulos fotovoltaicos
As dmensões e o peso dos móduos varam de acordo ao fabrcane e à poênca-pco, mas seguem padrões geras segudos por odos. Móduos para ssemas on-grid cosumam vr de fábrica com os conecores especas para conexão rápda. Os mas comuns são os modeos MC3 e MC4 , desenvovdos pea empresa Muconac, mas que são fabrcados por dversos ouros fabrcanes no mesmo padrão.
Figura 43 - Conectores MC3 e MC4
Ouro modeo de conecor para ssemas foovoacos é desenvovdo pea empresa Tyco Eeroncs.
Figura 44 - Conectores Tyco
Os modeos não são compaves enre s, e aguns fabrcanes usam dferenes modeos de conecor em seus dferenes modeos de móduo. A faa de compabdade enre os conecores serve como o ndcavo da recomendação de não se agrupar móduos de caracerscas dsnas. Tenha basane aenção quano ao conecor uzado peo fabrcane, na fase de projeo do ssema PV, pos a remoção e/ou roca do conecor, em muos casos, nvada a garana conra defeos de fabrcação do móduo. É possve contornar a ncompabdade enre os conecores dos móduos e os conecores dos 44 44
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dsposvos de condconameno de poênca (como os nversores) aravés das caxas de junção de iera e panés (vso abaxo). Nem odos os modeos de móduos foovoacos vêm com conecores. Os modeos de menor poênca geramene não os êm. Mesmo móduos de maor poênca, mas com foco em ssemas foovoacos soados, ambém não cosuma er os conecores. Possuem apenas a caxa de conexão.
5.1.2. Caracterscas Eétrcas Tensão Nominal: é a ensão padrão para a qua o móduo fo desenvovdo para rabahar. A quandade céuas foovoacas deermna esse parâmero, segundo a abea abaxo: Tabela 3 - Tensões nominais e Voc de módulos Standard Número de Células
Tensão Nominal
Tensão em Circuito Aberto (Voc)
18 céuas 36 céuas 72 céuas
6 vos 12 vos 24 vos
9, 2 vos 17,4 vos 40,15 vos
A abea aneror se apca aos móduos Standard que são os mas adequados para ssemas foovoacos soados. Há, no mercado, móduos non-standard , que possuem varados números de céuas (ex.: 40 ou 60) e só são adequados para ssemas foovoacos conecados à rede, assm como os móduos sandard. Em crcunsâncas especas, os móduos non-sandard pode ser uzados em ssemas soados. Tensão de Máxma Potênca (Vmpp): é a ensão máxma que o móduo gerará, em seu pono de máxma poênca, sob as condições padrão de teste (STC) Tensão em Circuito Aberto (Voc): ensão máxma que o moduo fornece em seus ermnas, sem a presença de uma carga (em vazo). É uma ensão de ese. Podemos med-a com um mumero. Corrente em Máxma Potênca (Imp): correne máxma que um móduo foovoaco pode fornecer a uma carga, em condções padrão de ese. Corrente de Curto Circuito (Isc): correne máxma que o móduo foovoaco fornece, quando seus ermnas esão em curo crcuo, sob as condções padrão de ese. Dferene das baeras e ouras fones de energa, podemos medr a correne em curo crcuo de um móduo foovoaco. A correne em curo crcuo, geramene é 5% superor à correne máxma. Potênca Máxma: a correne eérca gerada por um móduo vara de zero ao Isc, enquano a ensão enre os ermnas vara de zero aé o Voc sob dferenes condções de Irradânca e emperaura. Como a poênca é o produo da ensão pea correne, essa só será a máxma para uma únca combnação de ensão e correne. Um móduo foovoaco esará fornecendo a máxma poênca, quando o crcuo exerno possur uma ressênca a, que deermne os vaores máxmos de ensão e correne e, porano o seu produo será o máxmo. Exsem aparehos que conseguem alcançar o pono de máxma poênca (MPP Maxmum Power Pon) em dversas condções de rradânca e emperaura. São os Seguidores do Ponto de Máxima Potência (MPP Trackers).
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Figura 45 - Curva I V de um módulo fotovoltaico comercial
Eicênca: é o quocene enre a poênca gerada e a rradânca ncdene sobre o móduo. Fator de Forma (Preenchimento): é um conceito teórico que mede a forma da curva deinda peas varáves I e V na segune equação:
Figura 46 - Fator de forma de um módulo comercial
5.2. Condições de Teste e Operação Para os ese de performance e rouagem dos móduos foovoacos, é uzado um padrão de rradânca, massa de ar e emperaura. Esse padrão, chamado de Condções Padrão de Teste (STC – Standard Test Condons) é consegudo em aboraóro aravés do smuador soar. Em suações prácas, não emos as mesmas condções para o rabaho dos móduos foovoacos. Veja abaxo os vaores comparavos em rês condções:
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Tabela 4 - Condições de teste e operação dos módulos fotovoltaicos Parâmetros Irradânca (G) Massa de Ar (AM) Temperatura da célula Temperatura do ar
STC 1.000 W/m² 1,5 25°C 0°C
NON-STC 800 W/m² 2 45°C 20°C
G-NOCT 200 W/m² 2 45 20°C
Todos os móduos comercas êm em suas ichas de dados os resuados dos eses em STC . É recomenado aos fabrcanes, pea norma DIN EM 50380, que os fabrcanes acrescenem as nformações dos eses em Condições Normais de Operação, ncusve em baxas rradâncas, como mosrado na abea acma. A grande mporânca dsso esá no fao de a poênca máxma de um móduo comerca ser dferene da nomna quando ese esá recebendo Irradâncas menores, ou quando suas céuas esão submedas a emperauras dferenes de 25°C. Abaxo a varação de ensão em crcuo abero e correne de curo crcuo de acordo à Irradânca.
Figura 47 - Varação de Voc e Isc de acordo à Irradânca
Segundo o gráico acma, podemos ver que a ensão vara menos que a correne. Iso porque um fóon (com energa suicene) energza um eéron. Com maor rradânca, maor a quandade de fóons, e maor a correne eérca gerada. As varações de emperaura ambém nluencam o desempenho das céuas foovoacas. Com o aumeno da emperaura, a ensão de crcuo abero ca e a correne de curo crcuo aumena.
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Figura 48 - Variação da tensão e corrente de um módulo em função da temperatura
A queda de ensão é maor que o ncremeno de correne, porano o aumeno da emperaura reduz sgnicavamene a poênca dos móduos. A emperaura das céuas foovoacas não é a mesma do ambene, pos as céuas sofrem um aumeno de emperaura ao receber a radação soar, por cona do efeo foovoaco. A dferença de emperaura vara de acordo às caracerscas consruvas da céua (a-S, p-S, m-S, ec.) e do móduo. Podemos esmar essa dferença de emperaura aravés da segune equação:
Onde: G: é a rradânca em w/m²
Nas fohas de dados dos fabrcanes enconramos os coeicenes de emperaura, pos esse dado é de exrema mporânca, prncpamene para o cácuo de ssemas conecados à rede, pos esses, geramene, uzam grandes quandades de móduos assocados em sére, e as ensões são aas. Com a varação da emperaura a dferença de ensão pode não ser suicene para o rabaho de um nversor on-grid durane os das quenes de verão, mas pode acançar vaores capazes de danicar um nversor subdmensonado em um da fro de nverno.
Figura 49 - Coeicentes de temperatura de um móduo comerca
Em gera emos os segunes vaores médos, caso o fabrcane não forneça os dados, para cada 1°C acma de 25°C:
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Tabela 5 - Coeicentes de temperatura de móduos fotovotacos Coeicente
Silício Cristalizado
Película Fina
Correne de Curo-Crcuo (Isc)
+15x10-6 A por cm² de céua
+1,3x10-5 A por cm² de céua
Tensão em Crcuo Abero (Voc)
-2,3x10-3 V por céua
-2,8x10-3 V por céua
Poênca do Móduo (Wp)
-0,5% por móduo
-0,5% por móduo
5.3. Associação de Módulos Fotovoltaicos Dicmene um únco móduo foovoaco será suicene para consur o painel fotovoltaico de um ssema foovoaco. Um pane foovoaco é um conjuno de móduos foovoacos eercamene gados enre s, que fornecem deermnado poenca, e geramene esarão gados a um dsposvo de condconameno de poênca e/ou conroe. Na assocação em sére, chamada de iera, os móduos erão suas ensões somadas, e a ensão do pane será a soma das ensões ndvduas de cada móduo. A correne será a méda das correnes de cada móduo, por sso não é aconseháve a assocação de móduos de capacdades dsnas.
Figura 50 - Comportamento de uma associação em série de módulos fotovoltaicos
Na assocação em paraeo eremos o aumeno dreo da correne que será, no pane, a soma das correnes ndvduas de cada móduo. A ensão será a méda das ensões geradas.
Figura 51 - Comportamento de uma associação de módulos em paralelo
Na maora dos casos, será necessáro assocar os móduos em sére, para acançar a ensão nomna do ssema, e ambém em paraeo, para acançar a poênca-pco cacuada no projeo. Nesses casos, emos as caracerscas das duas assocações anerores, e maores perdas ao uzar móduos de caracerscas dferenes.
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Figura 52 - Associação mista de módulos fotovoltaicos
5.4. Sombreamento, Pontos Quentes e Diodos de Proteção Sob deermnadas condções de operação, uma céua foovoaca, ao receber uma sombra, pode aquecer ano, que o maera semconduor pode ser danicado peo caor. Aparecem os chamados pontosquentes (hot-spots), que danicam o móduo permanenemene. Isso aconece quando, ao nvés de gerar, o móduo recebe correne.
Figura 53 - Ponto-quente em uma célula fotovoltaica
Vejamos as crcunsâncas que evam ao aparecmeno dos ho-spos e, em seguda, as formas de eváos. Quando operando normamene, a correne eérca gerada por uma céua foovoaca é consumida por uma carga.
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Figura 54 - Funcionamento normal de um conjunto de células fotovoltaicas
Se uma foha ca sobre o móduo, de forma a cobrr uma céua, esa esará inversamente polarizada e passará a agr como uma carga, converendo eercdade em caor. Se a correne que aravessa a céua for aa o suicene, eremos a formação do ho-spo. A maor correne que uma céua, nessas condções pode receber, é a correne de curo crcuo, o que aconece frequenemene em ssemas foovoacos com controladores shunt (vsos abaxo).
Figura 55 - Célula sombreada convertendo eletricidade em calor
5.4.1. Diodos de By-Pass Um conjuno de 18 a 20 céuas em sére pode gerar uma ensão em orno de 12 V, e a ensão de boqueo de uma céua foovoaca esá enre 12 V e 50 V. Com uma assocação de quaro móduos em sére eremos a faxa de ensão onde é possve que a correne nversa aravesse as céuas sombreadas. Para evar a formação dos ho-spos, a correne deve ser desviada das céuas, aravés de um diodo de derivação – ambém chamado de diodo de by-pass – conecado de manera nversamene poarzada em reação a um conjuno de céuas. Os dodos são conecados a grupos de 18 ou 20 céuas, de manera que um móduo de 36 céuas em 2 dodos e um móduo de 72 céuas em 4 dodos.
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Figura 58 - Fileiras de módulos com diodos de bloqueio
Como os dodos de boqueo fazem pare da instalação elétrica do ssema, serão nsaados peo écnco responsáve, geramene no quadro de conexão dos móduos, junamene com os fusves de ieras que proegem o cabeameno conra correnes excessvas.
Figura 59 - Diodos de bloqueio e fusíveis de proteção na caixa de conexão dos módulos
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Figura 56 - Diodos de derivação desviando a corrente reversa
Os dodos de dervação são, geramene, monados nas caxas de conexão, mas os fabrcanes só cosumam usar os dodos em móduos com poênca superor a 40 Wp.
Figura 57 - Diodos de by-pass nas caixas de conexão dos módulos
5.4.2. Diodos de Bloqueio Os dodos de boqueo são uzados nas ieras de móduos em sére, para evar que um móduo sombreado ransforme a iera nera em uma carga. Em aguns ssemas autorregulados, os dodos são uzados para evar que a baera se descarregue sobre o pane foovoaco. Nos ssemas que uzam conroadores não é necessáro, sendo aé desencorajado o seu uso, pos o dodo provoca uma queda de ensão, que em ssemas menores pode ser sgnicava. De acordo com a norma IEC 6036-7-712, os dodos de boqueo não são necessáros se forem uzados móduos do mesmo po, com proeção Casse II e cericados para funconar com 50% da correne nomna de curo-crcuo, quando poarzados nversamene.
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Painel e Arranjo Fotovoltaico
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6. Painel e Arranjo Fotovoltaico Deine-se painel fotovoltaico como sendo um conjuno de móduos foovoacos. Um conjuno de painéis fotovoltaicos é um Arranjo Fotovoltaico. Em dversas nsaações foovoacas vemos um únco pane formado por um grande número de móduos, mas, na verdade, podemos er város panés, do pono de vsa eérco. Quando a poênca de um pane é muo grande, de a manera que as correnes eércas geradas são demasadamene grandes para os dsposvos de conroe, é preferve subdvd-o em panés menores, que podem ser acomodados em uma esruura únca, e seus conecores serão evados a dferenes caxas de conexão, e da para os dsposvos de conroe correspondenes. Veremos agora os cudados e formas de nsaação de um pane foovoaco, que podem ser uzadas ano para ssemas soados, quano ssemas on-grd, pos os conceos são os mesmos.
6.1. Estruturas de Suporte e Ancoragem Tão mporanes quano os móduos foovoacos, são as esruuras que os conêm. O mau funcionamento dos supores faz car por erra o nvesmeno na ecnooga mpa da energa soar. Para cada caso, há uma soução. No caso de ehados, deve ser vericado o po de eha ou de maderameno – a esruura que supora o ehado. Nas nsaações em pano horzona deve ser vericada a aura mnma e ambém as cargas de vento que adconam um esforço mecânco aos supores e ancoragens. Em odos os casos deve ser observada a correa orenação e ncnação do pane. A correa orenação perme capar o máxmo de energa ao meo da soar e horas próxmas, que é o momeno de maor concenração da radação soar. A ncnação adequada perme a mehor capação durane o ano, compensando a menor rradânca nos perodos de nverno, no caso dos ssemas auônomos, ou maxmzando a capação e geração nos perodos de verão, no caso das nsaações on-grd.
Figura 60 - Painel fotovoltaico montado em telhado
6.1.1. Suportes para telhado Para ixar os móduos em ehados, é necessáro nsaar um peri de supore que pode ser aixado nas ehas (no caso de ehas meácas) ou no supore do ehado (no caso de ehas de cerâmca/arga ou concreo_.
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Figura 61 - Presilha para telhas de argila
Em odos os casos deve-se er especa cudado quando à mpermeabzação, ano peo ssema foovoaco, quano pea própra edicação.
Figura 62 - Presilha para telhas de metal
As preshas são dsposas para receber o peri de suporte que será dmensonado e posconado de acordo aos móduos que comporão o pane foovoaco. Por sso uma eapa mporane durane o esudo de caso e proposa de projeo é a fase de medção dos espaços dsponves.
Figura 63 - Móduos montado sobre o peri de suporte
O que prende os móduos ao peri de supore são as preshas rosqueadas, que são adapáves à grande maora dos móduos, ano os sandard quando os non-sandard, desde que sejam emodurados e a 56 56
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sua modura eseja denro dos padrões (com espessura enre 3 e 4,5cm).
Figura 64 - Detahes das preshas e peri de suporte dos móduos para tehados
Nas esruuras em ehado ncnado, prncpamene os de ehas de arga, não é recomendáve uzar de ajustes para corrgr a ncnação, que ornam a nsaação mas díc, pos o supore deverá suporar cargas de veno maores. Aém dsso, o esforço exra no ehado pode ser pergoso, se ese não for suicenemene fore para suporá-o. O mehor sera arquear o ehado com a devda orenação e ncnação, mas sso só é possve na fase de projeo da edicação. Depos de prona, se não há necessdade de reformas, um ajuse para a nsaação do ssema foovoaco pode nvabzar o projeo.
Figura 65 - Suporte com correção da inclinação, instalado em telhado metálico
6.1.2. Suportes Para Instalação Em Plano Horizontal A consrução do pane foovoaco no chão ou coberura perme maor lexbdade quano à orenação e ncnação. É a escoha para grandes nsaações, onde aguns cudados devem ser omados, prncpamene quano ao sombreameno que, como já vmos, pode ser prejudca às céuas foovoacas.
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Figura 66 - Painéis fotovoltaicos montados no chão, com inclinação adequada
Para nsaação no chão, o pane deverá er aura mnma de 30 cm do chão, para evar o sombreameno causado peo crescmeno de ervas, ou a sujera na base dos móduos mas baxos, causada peas goas de chuva. Esses cudados são especamene mporanes para os ssemas nsaados em ocadades remoas e/ou nóspas. Para panés monados em coberura, a aura mnma recomendáve é de 5 cm. Iso é para permr o escoameno da água da chuva, e a quebra da força do veno em duas componenes, o que dmnu a carga de veno sobre o pane.
Figura 67 - Suporte para instalação em plano horizontal
6.1.2.1. Orentação do Panel Fotovoltaco
Os panés foovoacos devem esar orenados para o pono azmua, e de preferênca com ânguo azmua de superíce gua a zero. O azmue é o equador, porano no hemsféro nore os panés são orenados para o su, e no hemsféro su são orenados para o nore. Denro da zona ropca, o so decna para nore e para su durane as dferenes esações do ano, o que pode fazer com que um pane correamene orenado, não receba os raos soares dreamene em aguns perodos do ano. Nesses casos é recomendáve a uzação de masros, ano para as pequenas nsaações, quano para as grandes usnas. Ese úmo caso se beneica dos ssemas de segumeno do so ( sun-tracking). No caso das nsaações resdencas, ou as que aproveam o espaço vre dos ehados, o mehor é compensar essa dicudade
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durane os cácuos do projeo. Em odo caso devem ser evados os ânguos maores que 30°, ano para Lese, quano para Oese. Para cada 15° de desvo do Nore geográico, eremos uma hora de dferença para a capação máxma. Para Lese, haverá um adiantamento , e para Oese haverá atraso. O adanameno em deermnadas ocadades pode ser benéico, como em ocas ropcas, onde chove no meo ou im da arde, prejudcando a geração. Aém dsso, a maor rradânca que aconece ao meo da soar não será aproveada em sua oadade. Também não é recomendáve distribuir os móduos nas duas águas de um ehado não orenado para o nore, pos eramos pouco mas da meade da geração durane a manhã, e o mesmo vaor durane a arde. 6.1.2.2. Inclnação do Panel Fotovoltaco
A ncnação dea dos panés foovoacos vara de acordo à Laude da ocadade, e ambém quano ao po de ssema foovoaco. Para ssemas soados um pane com maor ncnação é recomendáve, pos garane maor capação nos perodos de menor rradânca, próxmo ao sosco de nverno. Para os ssemas conecados à rede, ncnações menores propcam maor capação nos perodos próxmos ao sosco de verão, o que gera mas energa e, nos pases com arfas dferencadas, maores ganhos inanceros. É possve cacuar a mehor ncnação, para um ssema soado, uzando a segune equação: β = φ + (φ/4)
Onde: Β = ncnação do pane em reação ao pano horzona. Φ = Laude da ocadade Esa equação reorna um vaor aproxmado, e a ncnação rea pode ser arredondada em aé 5° sem perda de desempenho. Para os ssemas conecados à rede, podemos uzar a segune equação: β = 3,7+0,69φ
Em audes acma de enre 15° e 30° podemos aproxmar os cácuos em: •
Laude + 5°, para ssemas auônomos.
•
Laude – 5°, para ssemas on-grd.
Em nenhum dos casos é recomendáve ncnações menores que 10°, pos a mpeza naura dos móduos pea água da chuva será prejudcada. Isso é especamene mporane em ssemas auônomos nsaados em ocadades remoas ou nóspas, nas quas a manuenção é reduzda.
6.1.3. Suporte em Forma de Mastro Os masros comporam bem os ssemas de rasreameno soar, que só são rentáveis nos grandes ssemas.
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Figura 68 - Painel fotovoltaico com sistema de rastreio solar
No caso de pequenos ssemas denro da zona ropca, mesmos os resdencas, o uso de um supore em masro perme a mudança manua da ncnação e orenação, peo écnco responsáve pea manuenção.
Figura 69 - Painel fotovoltaico em mastro
6.2. Cálculos de Sombreamento Tano nos ssemas maores, quano nas pequenas nsaações, é mporane evar a projeção de sombras sobre o pane foovoaco. No caso das nsaações menores, as sombras a serem evadas são das árvores e edicações ao redor. Para se cacuar a projeção das sombras durane o da, é necessáro conhecer a posção do so em cada momeno, nas dferenes esações do ano.
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Figura 70 - Diferenças na posição do sol nas diferentes estações do ano
Para fazer cácuos de sombreameno mas soiscados, é recomendáve o uso de sotwares especicos, que aravés de uma magem dga, devdamene orenada, descrevem a rajeóra do so e as projeções de sombras. Para cacuar uma sombra smpes, podemos recorrer a equações smpicadas que dão bons resuados, podendo ser adconadas a panhas auomácas de dmensonameno, facando o seu uso. Essas equações não são recomendadas para ssemas compexos, em ocadades urbanas com grande quandade de aos edícos crcunvznhos ao oca de nsaação do pane foovoaco.
Figura 71 - Relações geométricas entre possíveis geradores de sombra
No caso de sombras causadas por objeos fronas, podemos cacuar a sombra no sosco de nverno, quando a projeção é maor. Se consegurmos evitar essa sombra, nesse perodo, evaremos as sombras o ano odo. Nas Laudes abaxo de 20° há o rsco de objeos anerores projearem sombras, já que em as ocadades o so decna a su em aguns perodos do ano. Em ocadades com Laude enre 0° e 15° a suação é mas crca, pos o so decna a su em meade do ano. Porano o entorno do pane foovoaco deve ser vsorado a procura de possves causadores de sombra. A segune equação perme o cácuo da projeção de sombras fronas: d = z/tan h0
Onde: d = dsânca enre o pane e um obsácuo frona; z = aura do obsácuo;
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h0 = aura soar, no sosco de nverno, ao meo da soar;
O faor h0 pode ser cacuado medane a segune equação: h0 = (90° – atude da ocadade) – 23,5°
Figura 72 - Dstânca mnma entre o pane e um obstácuo fronta
No caso de nsaações que dspõem de grande quandade de panés, como a mosrada na igura 62, uzamos a segune equação: d = l * (sin ß /tang h 0 + cos ß)
Onde: l
= aura do pane em meros;
ß = ncnação do pane em graus;
ß
Figura 73 - Cácuo da dstânca entre panes
d2 = Z * cos ß
Esas equações cacuam a projeção de sombra ao meo-da-soar. Para esender às duas horas próxmas, adcone 25% ao vaor enconrado para d.
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Sistemas Fotovoltaicos Conectados a Rede
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7. Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede Como, nos ssemas on-grid, a energa eérca gerada é entregue dreamene à rede, os dsposvos de condconameno de poênca devem se adequar ao modo como a eercdade esá lundo nas nhas de dsrbução, copando esse padrão e fornecendo o mesmo po de sna eérco. Para a conexão à rede, uzamos dsposvos e conigurações especicas para a. Veremos agora os componenes e conigurações comumene uzados em ssemas foovoacos conecados à rede.
7.1. Inversores On-Grid O dsposvo responsáve pea njeção de energa na rede é o nversor grd-e. Devdo ao seu ao grau de soiscação, os nversores grd-e não são comparáves aos nversores autônomos . Eses NÃO PODEM ser gados dreamene às redes de dsrbução, pos não possuem o mesmo conroe sobre a ensão, fase e frequênca que os nversores grd-e possuem.
Figura 74 - Diagrama de ligação com a rede, de um sistema PV on-grd
Os nversores grd-e são conecados à de duas formas: •
•
Dreamene à rede – onde a energa é rapdamene escoada para o ssema e uzada peos consumdores mas próxmos. Aravés do pono de conexão da edicação com a concessonára – onde a energa eérca gerada é consumda pea própra edicação/resdênca, e somene o excedene é fornecdo à rede.
Os nversores grd-e para ssemas com poênca-pco aé 5 kWp são, geramene, monofáscos. Para ssemas de maor poênca, geramene rfáscos. Exsem ano grandes nversores cenras rfáscos, quano nversores monofáscos que podem ser agrupados, formando se assm, um ssema rfásco.
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Figura 75 - Inversores Grid-Tie
Para fornecer o máxmo de energa à rede, o nversor grd-e deve operar no ponto de máxima potência (MPP) do arranjo foovoaco. Como o MPP muda de acordo às condções cmaoógcas, o nversor deve possuir um sistema de seguimento do ponto de máxima potência (MPPT sga em ngês de maximum power point tracker ), que ajusa auomacamene a ensão de enrada do nversor, de acordo à ensão MPP a cada nsane. São funções do nversor grd-e: 1. Converer a correne connua, gerada peo arranjo foovoaco, em correne aernada, de acordo com funconameno da rede de dsrbução; 2. Ajusar-se ao ponto de máxima potência ( MPP) do arranjo foovoaco, consegundo o seu maor rendmeno; 3. Regsro Operacona, guardando/ransmdo os dados durane o seu funconameno, aravés de displays, carões de memóra, ransmssão drea a compuador, ec. 4. Possur dsposvos de proeção em CC e CA, como por exempo: proeção conra curos-crcuos (CC/CA), proeção conra nversão de poardade, proeção conra sobrecargas e sobre ensões, proeção para a conexão com a rede. Fabrcanes de nversores grd-e: Até 10 kWp: Axcon, ASP, Conergy, Dorfmer, Eeronca Sanerno, Exends, Fronus, G & H Eekronc, Ingeeam, Kaco, Karschny, Kyocera, Magneek, Maservo, Paran, Phps, Phoenxec, RES, Semens, SMA, Soar-Fabrk, Soar Konzep, Soarsocc, Soarword, Soon, Souronc, Spunk, Sun Power, Sunse, Sunways, Toa Energy, UfE, Vcron, Wrh Soergy, Wuseronk, Xanrex. Acima de 10 kWp: ACE, Conergy, Eeronca Sanerno, Energeca, Kaco, RES, SaCon, Semens, SMA, Soar Konzep, Spunk, Xanrex
7.1.1. Cassicação e Tpos de Inversores Grd-Te De acordo ao seu modo de operação, os nversores grd-e podem ser cassicados em inversores controlados/chaveados pela rede e inversores autocontrolados. 7.1.1.1. Inversores Controlados/Chaveados pela Rede
A consução básca de um inversor controlado/chaveado pela rede é um a de uma pone de rsores. O uso de nversores rstorzados em ssemas de auomação (ex: conroadores de moores), evou ao uso de rsores nos prmeros nversores para uso foovoaco. Ese po de nversor anda é uzado em ssemas de grande poênca. Para os ssemas menores, com poêncas aé 5 kWp, exsem poucos fabrcanes que anda uzam essa ecnooga.
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Figura 76 - Inversor chaveado pea rede com ponte de rstores
O inversor controlado pela rede uza a frequênca e ensão da rede para chavear os rsores, por sso
o seu nome. Se houver uma queda na rede, o nversor desga-se auomacamene, o que faz com que esse po de nversor não possa funconar de modo auônomo. Durane o seu funconameno são gerados pusos de correne de onda quadrada, por sso ese po de nversor ambém é chamado de inversor de onda quadrada.
Figura 77 - Formato da tensão e da corrente de um inversor comutado pela rede
As dferenças da forma de onda senoda da rede eérca provocam o aparecmeno de grandes dsorções harmôncas e ao consumo de poênca reava. Devdo a sso são uzados iros de sada e dsposvos para mar os harmônicos. Para soar a rede, é uzado um ransformador prncpa (de 50 Hz, para ssemas europeus). Nos nversores mas recenes, os pusos são emdos por um mcroprocessador. Reardando o mpuso (conroe por ânguo de fase) é possve mpemenar um ssema de MPPT . 7.1.1.2. Inversores Autorregulados (Auto Chaveados) Nos inversores autorregulados são uzados dsposvos semconduores que podem ser ligados e
desligados, em um crcuo em pone. De acordo ao nve de ensão e desempenho do ssema, podem ser uzados os segunes componenes:
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•
MOSFET (Transsores de efeo de campo de semconduor de óxdo meáco);
•
Transsores bpoares;
•
GTO (Trsor de Desgameno Pea Pora – aé 1kHz);
•
IGBT (Transsor bpoar de pora soada);
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Figura 78 - Diagrama de ponte de MOSFET’s em inversor auto-chaveado
Aravés do prncpo de modulação por largura de pulso (PWM) eses componenes eerôncos conseguem reproduzr muo bem uma onda senoda. Aravés do chaveameno rápdo do esado dos componenes em frequêncas em orno de 10-100 kHz, são formados pusos, com duração e espaçameno semehanes aos de uma onda senoda. Após o uso de um itro passa-baxa, eremos um sna eérco compave com a rede. Devdo à aa frequênca de chaveameno para a formação dos pusos, eses dsposvos cram nerferêncas em aa frequênca, exgndo meddas de compabdade eeromagnéca ( EMC), aravés do uso de crcuos de proeção e bndagem Os nversores com a marca CE, e que possuem cericado de Conformdade com a Comundade Européa ( EC) geramene maném os vaores de EMC abaxo dos mes. Os nversores auo-chaveados são adequados, a prncpo, para ssemas foovoacos auônomos. Se forem conecados à rede, a frequênca da poênca njeada deve ser sncronzada com a da rede, gerando os pusos de chaveameno de acordo com essa frequênca. 7.1.1.2.1. Inversores Auto-Chaveados com Transformador de Baxa Frequênca (LF)
Nos nversores auto-chaveados e nos inversores chaveados pela rede , podem ser uzados ransformadores de baxa frequênca ( LF) – 50 Hz no padrão europeu para ajusar a ensão de sada com a ensão da rede. O campo magnéco do ransformador isola eercamene o crcuo CC do crcuo CA.
Figura 79 - Diagrama de um Inversor com transformador
Devdo ao soameno, o nversor perme que o arranjo foovoaco forneça ensões menores, orna desnecessáro o aterramento conjunto do nversor e do arranjo foovoaco e reduz nerferêncas eeromagnécas.
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As desvanagens são aumeno da perda de poênca e do amanho e peso do nversor, fazendo com que aguns fabrcanes uzassem ransformadores menores ou os emnassem por compeo. 7.1.1.2.2. Inversores com Tranformadores de Alta Frequenca (HF)
Uzando ransformadores em aa frequênca – 10-50 kHz, conseguem-se menores amanhos, menores perdas, menor peso e menor cuso. Enreano, o crcuo dese po de nversor é mas compexo, fazendo com que a dferença de preço não seja ão sgnicava. 7.1.1.2.3. Inversores sem Transformadores
Para poêncas menores, emos os nversores sem ransformadores, cujas vanagens são os menores: amanho, peso, perdas e cuso. Nese po de nversor, a ensão de enrada dever ser maor que a ensão de pco da rede, ou deve ser eevada aravés de um conversor CC/CC, geramene negrado ao crcuo do nversor que, nfezmene aumenam as perdas energécas, dmnudo a vanagem de não possur o ransformador. Como não possuem soameno eérco, necessam de severas meddas de segurança na sua nsaação, exgndo a nsaação de dsposvos de proeção conra correne resdua, ano do ado CC, quano no ado CA. Deve-se observar que, durane o funconameno dos ssemas foovoacos com nversores sem ransformador, formam-se correnes resduas capacvas de mas de 30 mA enre os móduos e a erra, o que nvabza o uso de Inerrupores Dferencas Resduas ( IDR) comuns, que desconecam em 30 mA.
Tabela 6 - Comparação entre os pos de nversores Caracterscas
•
• •
Vantagens
•
• •
Desvantagens
• • •
Com Transformador Tensões de enrada e sada eercamene soadas Muo dfunddo A maora dos Inversores Cenras
Pode rabahar com ensões reduzdas na enrada (V < 120 V) Menores nerferêncas eeromagnécas Não necessa de gação equpoenca ao pono de aerrameno do arranjo PV
Perdas no ransformador Maor peso Maor voume
•
•
•
• • •
•
•
•
•
Sem Transformador Tensão do arranjo PV deve ser maor que a da rede (ou usar Conversor CC/CC A maora dos nversores de iera
Maor eicênca (se não em conversor CC/CC) Menor peso Menor voume Insaação CC menor, (para os nversores de ieras e de módulos CA) Uso de dsposvos de proeção adconas Fuuação do pono de funconameno Insaação compea com Proeção Casse II Maores nerferêncas eeromagnécas
7.1.1.3. Caracterscas e Propredades dos Inversores Grd-Te
A segur veremos as prncpas caracerscas que se desacam nos nversores grd-e comercas.
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7.1.1.4. Eicênca de Conversão (Converson Ecency) – ηCON
A Eicênca de Conversão represena as perdas na conversão drea de correne connua ( CC), em correne aernada (CA), compreendendo as perdas causadas peo ransformador – nos nversores que o possuem –, nos dsposvos chaveadores e o conroador, nos dsposvos de coea de dados, ec.
Onde: PCA = Poênca de Sada Efeva PCC = Poênca de Enrada Efeva
A Eicênca de Conversão é muo dependene da poênca de enrada. A porcenagem ambém vara de acordo à ensão de enrada do nversor, um fao mporane que fo desprezado por muo empo. 7.1.1.5. Eicênca de Rastreamento (Trackng Ecency) – ηTR
Os prmeros nversores grd-e possuam um conroe ixo – o pono de operação do nversor era deindo para deermnado nve de ensão, e quaquer ajuse em função da varação de condções meeoroógcas eram mas resros. Os modernos nversores auas, para ssemas foovoacos conecados à rede devem garanr uma perfea adapação às curvas caracerscas do arranjo foovoaco (curvas I-V), mesmo com as varações de Irradânca e emperaura, que mudam o Ponto de Máxima Potência (MPP). A capacdade do nversor de ajusar o seu pono rabaho, é descra pea Eicênca de Rastreamento.
Onde: PPV = Poênca máxma nsanânea do nversor
A luuação do pono de operação – causada peo ndesejado acoplamento da frequênca da rede na parte CC – deve ser a menor possve, efeo mas evdene nos nversores sem ransformador. 7.1.1.6. Eicênca Estáca (Stac Ecency) – ηINV
A Eicênca Estáca é o produo da Eicênca de Conversão pea Eicênca de Rastreamento e pode ser cacuada para város regmes de carga.
Geramene, apenas a Eicênca De Conversão obda durane condções nomnas de operação é apresenada, como eicênca nomna, nas fohas de dados ( data-sheets). Aém dsso, frequenemene, é exbda a eicênca máxma, que geramene é enre 50% e 80% da poenca nomna. Essa máxma eicênca só e acançada sob deermnadas condções de Irradânca e emperaura, cujas varações são responsáves peo frequene funconameno do nversor em esado parca de carga e raramene em esado nomna. A reação enre a eicênca do nversor, ensão do arranjo foovoaco e o regme de carga em aa nluenca na produção anual de energia.
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Figura 80 - Curvas caractersca de város nversores (especicações dos fabrcantes)
As curvas de eicênca são precsas sob deermnada emperaura ambene para o nversor e dependem da ensão de enrada. 7.1.1.7. Eicênca Européa (Euro Ecency) – ηEURO
De manera a facar a comparação enre nversores baseando-se na sua eicênca, fo crado um padrão europeu de medção da eicênca, a Eicênca Europea (Euro), que é cacuada para um pco cma europeu. A igura abaxo mosra a frequênca e a energa de dferenes classes de radação soar em um ano pco na Aemanha (embre-se que é eicênca européa).
Figura 81 - Frequênca e energa de dferentes casses de rradânca, baseado em um sstema ncnado em 30° em Munque, Alemanha
Observamos que, nessa regão, raramene há rradâncas em orno de 800 W/m², o que faz os nversores funconarem em regme parca. Consderando dferenes cenáro de carga, a Eicênca Euro é cacuada aravés da méda de eicêncas esácas em 6 regmes – carga nomna e mas cnco cargas parcas: ηEURO = (0,03 * η5%) + (0,06 * η 10%) + (0,13 * η 20%) + (0,1 * η 30%) + (0,48 * η 50%) + (0,2 * η 100%)
Os vaores ηn% represenam as eicêncas esácas – η 100% = 100% de eicênca, η 5% = 5% de eicênca. Os vaores como 0,03 ou 0,48 represenam a fração do ano em que o nversor esá na eicênca ndcada – em 48% do empo esará funconando com 50% da eicênca.
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Apesar de a Eicênca Euro oferecer um bom parâmero de comparação enre nversores, é um conceo não muo apcáve em erróro brasero, devdo às dferenças enre as condções cmaoógcas e de Irradânca soar. 7.1.1.8. Comportamento em Sobrecarga
Em ssemas que não em uma correa orenação que maxmze a capação da energa soar – como ssema de negração arqueônca ( BIPV ) – ou que esejam sujeos a sombreamenos parcas, pode ser neressane subdimensionar o nversor, desde que ese possua uma reação adequada à sobrecarga, que pode ser: 1. Varação do pono de operação; 2. Lmação da poênca; 3. Desgameno/core; Quando o nversor recebe uma poênca superor à sua nomna, seus componenes esarão sujeos a uma fore carga érmca, o que ava o ssema de mação de poênca (no caso 2). Quando é angda a emperaura me dos componenes, aguns nversores se desgam (caso 3), ouros avam exausores e/ ou varam o pono de rabaho. Os pos 1 e 2 são os adequados a subdmensonamenos nas condções descras acma. 7.1.1.9. Regstro de Dados Operaconas
A maora dos fabrcanes oferecem ssemas de aqusção dos dados de operação dos nversores, geramene negrados a eses, ou com dsposvos exernos que apresenam dreamene os dados ou os enva para um compuador, permndo a avaação dos ssemas foovoacos, em muos casos em empo rea.
Figura 82 - Dsposvos de aqusção de dados para nversores SMA
Em gera os dsposvos coeam as segunes nformações: •
Entrada: Tensão VDC, correne IDC e poênca PDC
•
Saida: ensão VAC, correne IAC, poênca PAC e frequênca f|
•
Tempo de operação
•
Volume de energia gerada
•
Status e falhas
Os mas novos modeos possuem anda, nerfaces mas modernas, como USB, Bluetooth e Wi-Fi, permndo a comuncação de um dsposvo com os que esão próxmos, e a unicação mas smpes dos dados de város aparehos.
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7.1.1.10. Outras Caracterscas dos Inversores Grd-Te
As abeas abaxo demonsram as caracerscas que cosumam aparecer nas abeas de dados dos nversores grd-e, e são de exrema mporânca na hora de escoher o mehor dsposvo para deermnado ssema foovoaco.
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Parâmetro
Poênca Nomna CC Poênca Máxma Foovoaca Ponênca Nomna CA Máxma Poênca CA Eicênca Parca
Eicênca Euro Eicênca por dferença de emperaura Faor de Poênca Poênca de avação Poênca de desavação Poênca em Stand-By
Símbolo
Unidade
Tensão CC Nomna Faxa de Tensões MPP
POTÊNCIAS Poênca foovoaca para a qua o nversor fo dmensonado.
Pn DC
W
PDC max
W
Máxma poênca foovoaca que o nversor acea.
Pn AC
W
Poênca CA que o nversor pode fornecer de modo connuo.
PAC max
W
Máxma poênca em CA que o nversor pode fornecer por empo mado.
η5% η10% η20% η30% η50% η100% η110% ηEURO ΔηT
% % % % % % % % %/C
Eicênca parca com 5% da poênca CC nomna. Eicênca parca com 10% da poênca CC nomna. Eicênca parca com 20% da poênca CC nomna. Eicênca parca com 30% da poênca CC nomna. Eicênca parca com 50% da poênca CC nomna. Eicênca parca com 100% da poênca CC nomna. Eicênca parca com 110% da poênca CC nomna. Veja sessão 7.1.2.4 Redução da eicênca por emperaura ambene acma de 25°C. Faor de conroe da poênca reava, que dever ser maor que 0,9.
Cos φ P ON P OFF
W W
Poênca foovoaca para ligar o nversor. Poênca foovoaca onde o nversor é auomacamene desgado.
P STAND-
W
Energa (da rede) consumda peo nversor em modo de espera, anes de enrar no modo nourno.
W
Energa (da rede) consumda peo nversor em modo nourno.
BY
Poênca nourna
Descrição
P NIGHT
TENSÕES Tensão foovoaca para a qua o nversor fo desenvovdo. Inervao de ensões de enrada onde o nversor segue o pono de máxma poênca
V nDC V MPP
V V
V DCmax V DCof
V V
Tensão foovoaca máxma que o nversor supora. Mnma ensão foovoaca para a qua o nversor anda opera.
Faxa de Tensão CA
V AC
V
Faxa de ensão da rede em que o nversor opera, se ajusando auomacamene.
Tensão CA Nomna
V nAC
V
Tensão nomna do nversor, que para os padrões europeus é 230 V.
Tensão CC Máxma Tensão de desgameno
CORRENTES
Correne CC Nomna
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I nDC
A
Correne foovoaca para a qua o nversor é dmensonado.
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Correne DC Máxma
I DCmax
A
Máxma correne foovoaca que o nversor supora na enrada.
Correne CA Nomna
I nAC
A
Máxma correne que o nversor njea na rede de dsrbução de modo connuo.
I ACmax
A %
Injeada na rede em curo perodo. Faor de quadade da correne e/ou ensão njeada na rede. Cacuada a parr da razão enre o vaor RMS das componenes harmôncas e a fundamena. Deve ser nferor a 5%.
Correne CA Máxma Faor de Dsorção Harmônca
k
OUTROS
Nve de Rudo
Dmensões/Voume Faxa de emperaura
dB(A)
De acordo ao po e casse de desempenho, város nves de rudo em operação podem ser gerados, o que dever ser consderado na escoha do oca de nsaação.
h, l, w
m ou mm
T
°C
Aura (hegh), argura (wdh), profunddade (engh). Em reação à casse de desempenho e po, há váras faxas de emperaura de funconameno, que devem ser consderadas na hora da escoha do nversor.
7.2. Painel Fotovoltaico Para Sistemas On-Grid A coniguração eérca do pane foovoaco esá nmamene gada à forma de rabaho do nversor Grid-Tie escohdo para o projeo do ssema. A coniguração mas comum auamene é a de alta tensão de entrada para os nversores sem ransformador. Os nversores de iera ( string-inverters ), com poêncas nomnas enre 1 kWp e 3 kWp, que requerem ieras (strings) com assocações de 6 a 18 móduos, são os mas uzados em nsaações resdencas ou comercas de pequeno e médo pore. Deve ser evada em consderação a ensão máxma suporáve peos móduos que é, geramene, em orno de 600 V. Os panés foovoacos para nversores sem ransformador necessam de um ssema de proeção eérca mas aprmorado, mas aguns fabrcanes já ncorporam em seus produos essas proeções, icando para a equpe de nsaação monar as caxas de junção de ieras ou panés.
7.2.1. Caixas de Junção Essas caxas esanques erão em seu neror odos os eemenos de proeção das ieras e móduos: •
Fusves, que proegerão os cabos de excessos de correne.
•
Dodos de boqueo, que proegerão as ieras e móduos em casos de sombreameno parca.
•
•
Dsposvos de proeção conra suros, mprescndves ano do ado CC (pane foovoaco), quano do ado CA (rede de dsrbução). Inerrupor DC, que perma o desgameno do pane ou iera para arefas de manuenção.
Para facar a conexão dos móduos em um pane, aguns fabrcanes de maeras eércos possuem enre seus produos, caxas de junção pronas. Esas caxas de junção já vêm com odos os eemenos de
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proeção, denro de uma caxa esanque, que esá de acordo às váras normas nernaconas.
Figura 83 - Caixa de junção comercial
As caxas de junção podem ser de ieras (srng-box) ou de pane/arranjo (array-box) e já possuem os ermnas para a conexão drea dos cabos, uzando os conecores padrão MC3, MC4 ou Tyco. A grande maora já possu o nerrupor gera DC.
7.2.2. Conigurações e Concetos Os ssemas foovoacos on-grid são mados pea área dsponve. Iso quer dzer que, durane a concepção do ssema, é possve a arqueura de ssemas de quaquer amanho e capacdade. Nos pases que possuem ncenvos à nserção de energas renováves, a capacdade nsaada pode nluencar no preço da eletricidade, o que faz os projesas omarem cudados especas quano à poênca nsaada. Vejamos agora aguns conceos de ssemas foovoacos, que podem ser uzados como base para város projeos. 7.2.2.1. Sstemas com Inversor Central
Nos ssemas com nversor cenra, um únco nversor toma conta do arranjo foovoaco. Podem ser cassicados de acordo à forma como o nversor (ou nversores) são negrados ao projeo. 7.2.2.1.1. Sstema com baxa tensão de entrada (<120 VCC)
É uzado com nversores com ransformador. As correnes eércas são maores, mas as ensões são menores. Por possurem ieras com menos móduos, são menos prejudcados peos sombreamenos parcas. Devdo à grande quandade de ieras em paraeo, em maores perdas de correne e demandam cabeameno com maor seção ransversa.
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Figura 84 - Sistema com Inversor central com transformador.
7.2.2.1.2. Sstemas com Alta Tensão de Entrada (>120 VCC)
Uzado com os nversores sem ransformador. As ensões são maores, com maor rsco de choque eérco. As correnes são menores, o que reduz as perdas por efeo Joue e a bitola dos cabos.
Figura 85 - Sistema com alta tensão de entrada (120 VCC)
Nese po de coniguração é necessáro ssemas de proeção Classe II, devdo à ausênca do soameno proporconado peo ransformador. Também sofrem mas com os sombreamenos parcas, pos as ieras são muo ongas, e caso um móduo venha a receber sombra, uma parcea muo grande da poênca do pane dexa de ser gerada (a iera nera pode funconar abaxo do esperado).
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7.2.2.1.3. Sstema Mestre-Escravo (Master-Slave)
No caso de ssemas grandes, é possve o uso de város nversores que enram em funconameno de acordo ao nve de Irradânca Soar. Um dos nversores esá gado o empo odo e, à medda que aumena o potencial solar , ava os demas nversores, que ambém são desavados em caso de baxa Irradânca. Para evar o excessvo desgase de apenas um nversor, aconece auomacamene um revezamento de qua nversor é o máster .
Figura 86 - sstema com coniguração master-save
7.2.2.2. Sstemas de Grupos de Módulos
No caso de arranjos com panés de dferenes orenações, ncnações ou sombreamenos parcas, é recomendáve o uso de um nversor para cada grupo, o que perme um mehor aproveameno das condções de rradação. As prncpas vanagens desse po de ssema são sadas a segur: •
Omssão da caxa de junção PV
•
Omssão do cabo prncpa DC
•
Redução no cabeameno para as gações em sére
Os nversores são nsaados, geramene, próxmos aos panés. Devdo a sso devem er ao grau de proeção – IP65. Mesmo consderando-se essa proeção, as condções de cmácas mas adversas podem causar fahas e dmnur a vda ú dos nversores. Por sso é recomendáve que sejam nsaados em oca proegdo da radação soar drea e de ouras nempéres. A uzação de nversores de grupos de móduos faca a nsaação dos ssemas foovoacos e reduz, em ceros casos, os cusos de nsaação.
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Figura 87 - Sistemas de Grupos de módulos
Ssema aé 3 kWp são, em sua grande maora, concebdos no conceo de grupos (ou cadeas) de móduos, uzando nversores de ieras ( string-inverters ). 7.2.2.3. Sstemas com Módulos CA
Nesse po de ssema é uzado um nversor para cada móduo, consundo um módulo CA, já dsponve no mercado. Exsem nversores de amanho reduzdo dsponve reduz do o basane para caber caber na caxa de conexão do móduo. Cada móduo endo seu própro nversor perme que rabahem em seu pono de máxma poênca ndvduamene, o que não aconece em ouras conigurações. conigurações. Oura vanagem esá na moduardade, que perme uma expansão do ssema que em ouros conceos não sera ão smpes. Como desvanagem desvanagem dos móduos CA, podemos car a menor eicênca dos mcro-nversores mcro-nversores em reação aos de grupos de móduos e seu preço anda proporconamene superor ao dos nversores convenconas. convenconas. Esse conceo é neressane para o caso de ssemas foovoacos negrados à arqueura em que são mas comuns os sombreamenos parcas.
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Figura 88 - sistemas com módulos CA
Figura 89 89 - Micro inversores para módulos PV
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Sistemas Fotovoltaicos Autônomos
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8. Sistemas Fotovoltaicos Autônomos Um ssema foovoaco soado (o-grd) é aquee que não esá em conao com a rede eérca da concessonára. Um ssema soado pode ser feo numa cdade sem probema agum. O “isolado” do nome dz respeo ambém ao afasameno da rede eérca.
8.1. Painel Fotovoltaico O pane foovoaco para ssemas auônomos é conigurado para fornecer ensões enre 12 e 48 vos, sendo as ensões de 12 V e 24 V as mas comuns, enquano a ensão de 48 Vos é uzada em ssemas maores. O pane é dmensonado para fornecer o poenca eérco para um da médo de uso. Essa energa será armazenada em baeras ou uzada medaamene, no caso dos ssemas foovoacos sem armazenameno.
Figura 90 - Painel fotovoltaico 24 V de sistema autônomo
Geramene são uzados móduos de 36 ou 72 céuas, que em as ensões nomnas adequadas para os conroadores de carga sem MPPT. Aém dsso, os móduos para ssemas soados, não possuem, em sua grande maora, cabos de conexão com conecores padrão.
8.2. Banco de baterias Um banco de baeras é consudo por uma quandade cacuada de eemenos conecados em sere e/ou paraeo, que fornecerão a poênca demandada peas cargas, no perodo de auonoma em que devem funconar sem receber recarga do arranjo foovoaco nos das sem nsoação.
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Figura 91 - Banco de baterias em uma grande central PV
8.2.1. Funções do banco de baterias Em ssemas soados, a baeras em as segunes funções: •
•
•
Autonomia: essa é a função mas mporane, que é suprr a energa para os consumos, quando o pane não é capaz de gerar energa suicene. Isso aconece odas as noes, e ambém nos perodos chuvosos ou nubados, que podem vara durane o da. Estabilizar a tensão: os móduos foovoacos em uma grande varação de ensão, de acordo à rradânca recebda. A conexão de cargas de consumo dreamene aos móduos pode expô-os a ensões muo aas ou muo baxas para o seu funconameno. As baeras possuem uma faxa de ensões mas esrea que os móduos foovoacos, e garanrão uma faxa de operação mas unforme para as cargas. Fornecer correntes elevadas: a baera opera como um buer , fornecendo correnes de parda eevadas. Aguns dsposvos (como moores) requerem aas correnes (de 4 aé 9 vezes a correne nomna) para ncar o seu funconameno, esabzando e uzando correnes mas baxas depos de aguns segundos. Ouros dsposvos mas vorazes enrarão em funconameno por curo perodo de empo, mas consumrão mua poênca. As baeras fornecerão essa aa poênca momenânea, e serão carregadas enamene peo pane foovoaco durane o da.
8.2.2. Baterias para Sistemas Fotovoltaicos As baeras para uso foovoaco cosumam ser de chumbo-ácdo ou de nque-cadmo. As baeras de nque-cádmo suporam descargas maores e em maor vda-ú, mas seu ao cuso e baxa dsponbdade as ornam váves em ssemas muo especicos que necessam de aa coniabdade. Ouros pos de baeras, como as de Íons de Lo, não são váves para ssemas foovoacos, devdo à capacdade dos bancos de baeras para essa apcação. É a reação cuso-beneíco que faz com que as baeras de chumbo-ácdo sejam as escohdas para a maora dos ssemas PV soados. Como são as mas uzadas, as baeras de chumbo-ácdo serão o objeo do nosso esudo a parr de agora. 8.2.2.1. Constução e funconamento de uma Batera de Chumbo Ácdo
Baeras de chumbo-ácdo são consudas de células ndvduas – ambém chamadas de phas – com ensão nomna de 2 V cada uma, que nas baeras em monoboco são gadas em sére para acançar a ensão nomna.(6 céuas consuem uma baera de 12 vos).
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Cada célula é consuda bascamene por duas pacas de meas dferenes (uma posva, oura negava) soadas por separadores e mersas em uma soução aquosa de ácdo sufúrco ( H2SO4). As pacas são eerodos de chumbo em formao de grade com a função de segurar a matéra ava e conduzr a correne eérca. É a matéra ava porosa que armazena a energa, com sua esruura esponjosa fornecendo área de superíce para a reação eeroqumca. Na baera carregada, a maéra ava da paca negava é o chumbo (Pb) e a maéra ava da paca posva é o dóxdo de chumbo (PbO2).
Figura 92 - Bateria de chumbo-ácido
Ao se fechar um crcuo, os eérons luem do poo negavo para o poo posvo, provocando uma reação qumca enre as pacas e o ácdo sufúrco, que eva à formação de sulfato de chumbo ( PbSO4) nas duas pacas – reação chamada de dupa sulfatação – que consome o ácdo, ornando o eeróo mas aquoso, processo que pode ser meddo com um densímetro. Tabela 7 - Estado de carga de uma bateria pela densidade do eletrólito. Estado de Carga
Densidade do Eletrólito
100% (pena carga)
1,225 g/cm³
90%
1,216 g/cm³
80%
1,207 g/cm³
70%
1,198 g/cm³
60%
1,189 g/cm³
50%
1,180 g/cm³
40%
1,171 g/cm³
30%
1,162 g/cm³
20%
1,153 g/cm³
10%
1,444 g/cm³
0%(descarga oa)
1,135 g/cm³
Quando o ssema PV recarrega a baera, os eérons luem em sendo conráro – do poo posvo para o poo negavo – reverendo a reação qumca. O processo não é oamene reversve, pos pequenas quandades de sufao de chumbo não se dssovem, processo chamado de sulfatação que aumena à medda que os ccos de carga e descarga aconecem, dmnundo a capacdade da baera. Quano maor
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for a profundidade de descarga – o nve de reação qumca que aconece durane a descarga, anes que a baera voe a ser carregada – maor será a perda de capacdade. Com profunddades de descarga menores, mais cclos de carga e descarga a baera suporará.
Figura 93 - Expectava de vda ú de uma batera pea profunddade de descarga
A ressênca nerna de uma baera de chumbo-ácdo vara de acordo à carga, sendo maor quando a baera esá descarregada devda à menor concenração de ácdo no eeróo e à presença do sufao de chumbo nas pacas. À medda que a baera va sendo carregada, a sua ressênca nerna dmnu, fazendo com que a baera aceite mehor a carga. Por sso uma baera com menor profunddade de descarga durane o cco é recarregada mas rapdamene. Quando ange a ensão ina de carga nas céuas, a baera deve ser desconectada do carregador , pos se nca um processo de eeróse da água presene no eeróo que eva a dos nconvenenes: 1 – Perda de água, que faz o ácdo se concenrar mas, se ornando nocvo às pacas aé a secagem oa que deermnara o im da baera. 2 – Lberação de oxgêno e hdrogêno. Esse úmo, mesmo em pequenas proporções orna o ambene poencamene exposvo, o que faz com que os bancos de baeras devam ser nsaados em ocas venados. O hdrogêno é 14 vezes mas eve que o ar e pode se acumuar em fresas. Tabela 8 - Estado de carga de uma bateria pela tensão entre os terminais
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Estado de carga
Tensão em Circuito Aberto
100% (pena carga)
12,72 V
90%
12,48 V
80%
12,42 V
70%
12,30 V
60%
12,18 V
50%
12,06 V
40%
11,88 V
30%
11,76 V
20%
11,58 V
10%
11,34 V
0% (descarga oa)
10,50 V
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8.2.2.2. Tpos de Bateras de Chumbo-Ácdo
De acordo ao po de eeróo e a ecnooga de consrução das pacas, as baeras de chumbo ácdo pode ser cassicadas em: •
Bateras de Eetróto Lqudo: as baeras mas comuns em nsaações foovoacas, são composas peas pacas e peo eeróo em esado qudo. Essa é a concepção das baeras auomovas, produzdas em arga escaa, por sso são as mas baraas e facmene enconradas no mercado. Nas baeras auomovas, chamadas de baeras de parda ou SLI, sga em ngês para Starng-Lghnng-Ignon, os eerodos posvos e negavos são grades onde são deposados as maéras avas, chumbo e dóxdo de chumbo. Essas baeras uzadas para a parda de moores — que requerem aas correnes (aé 200 A) por aguns segundos — não são adequadas para ssemas foovoacos, pos são consrudas para fornecerem apenas uma fração da sua capacdade (aé 10%) em descargas muo aas e perodos muos curos. Suas pacas são mas inas e em maor número, aém do eeróo possur maor eor de ácdo. Se forem submedas a profunddade de descarga maor que 50%, podem fahar em poucos das.
As baeras para ssemas foovoacos são desenvovdas para funconameno nermene. Dferencam-se das anerores pea sua capacdade de suporar muos ccos de descarga, com descarga profunda. Possuem pacas com mas matéra ava e em menor número, e o ácdo é menos concenrado. Devdo a esses faores, esse po de baera não é recomendado para a parda de moores, ou mesmo para uso em vecuos eércos.
Figura 94 - BAteria de eletrólito líquido •
Baterias de Eletrólito Imobilizado: possuem o eeróo mobzado, seja na forma de ge (com a adção de dóxdo de sco), ou peo ssema AGM ( Absorbed Glass Material ), nas quas o eeróo esá em forma crsana envoo em esponjas de ibra de vdro.
Ao conráro das baeras de eeróo qudo, as baeras de eeróo mobzado não necessam serem nsaadas em ocas venados, pos são fechadas e possuem um ssema com vávua de segurança que mam a sada dos gases berados em casos de sobrecargas, por sso são chamadas ambém de baterias de chumbo-ácido reguladas por válvula (VRLA, do ngês: Vave Reguated Lead Acd ). Não requerem a reposção de água, por sso são seadas e não necessam de manuenção. Os conroadores de carga devem ser especicos ou ajusados para rabahar com as baeras de eeróo mobzado, pos esas não podem receber sobrecargas. São baeras com grande vda ú, geramene o dobro da vda ú das baeras de eeróo qudo, sob as mesma condções de profunddade de descarga. Devdo a as caracerscas, são mas caras que as baeras comuns.
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Figura 95 - Batera de eetróto mobzado (VRLA) •
Baterias Estacionárias de Placa Tubular (OPzS e OPzV): são as baeras ceras para ssemas robusos, de uso permanene em perodos enre 10 a 20 anos.
Podem ser do po OPzS, sga em aemão ( Ortsfeste Panzerpae Speza ) que sgnica Placa Tubular Estacionária Especial, com eeróo qudo e separadores especas; ou do po OPzV (Ortsfeste Panzerpae Verschossen) que sgnica Placa Tubular Estacionária Selada, que em eeróo em ge e reguadas por vávua. A dferença enre essas baeras e as anerores esá na forma dos eerodos posvos, que são ubuares, com tubos permeáves em orno das varetas, aravés dos quas crcua o eeróo. Esses ubos manem a maéra ava coninada, evando aguns dos efeos do envehecmeno das baeras (veja 8.2.4), aumenando o empo de vda das baeras. Esas baeras em vda ú muo superor às baeras comuns, mas são mas voumosas, mas pesadas e em maor cuso de nsaação, ncusve nos preços comercas muo superores a ouros pos de baeras. As baeras OPzS necessam de manuenção em perodos de 6 meses a 3 anos, enquano as baeras OPzV não requerem manuenção durane a sua vda ú.
Figura 96 - Eetrodos posvos de uma bateras OPzS •
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Bateras de Boco com Pacas Posvas Panas (Bocos OG): as baeras OGi (do aemão: Ortsfeste Gerpaen, que sgnica: Pacas Esaconáras Radas) são do po esaconára, com os eerodos posvos em formao de paca pana com uma coniguração que esá enre a das baeras de grade e as baeras de eerodo ubuar. As varetas encaxadas em um proeor comum, que possba a fabrcação de pacas panas mas baraas que as ubuares, mas com vda ú muo maor. Os eerodos negavos de uma bateria de bloco são em formao de grade.
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As baeras OGi acançam 1300 ccos com profunddade de descarga de 75% e 4500 ccos com 30% de Pd. Devdo à grande reserva de ácdo no vaso, a manuenção será necessára em perodos enre 3 a 5 anos. São muo uzadas nos ssemas PV auônomos na Europa, pos conseguem ser recarregadas mesmo com baxas correnes.
Figura 97 - Paca posva de bateria OGi
As baeras esaconáras podem ser dsponbzadas em monoboco (quando os vasos que compõem a baera esão denro de uma carcaça únca) ou em vasos ndependenes (quando emos város vasos, geramene ransparenes que devem ser gados em sére para acançar a ensão nomna). Os vasos em maor capacdade de carga (em Ampère hora), mas a ensão é menor (2 vos nomnas, nas baeras de chumbo-ácdo) e são os mas ndcados para ssemas muo grandes. As baeras especas para ssemas foovoacos ( OPzS, OPzV e OGi ) são dsponbzadas, geramene, em formao se vasos ransparenes. Baeras especas, pea sua ecnooga, são desenvovdas para vda ú enre 10 e 20 anos. As baeras monoboco em vda ú enre 2 e 5 anos.
Figura 98 - Vaso de 2V e bateria monobloco de 12V
É possve, mas não é recomendáve, a conexão de baeras em paraeo para aumeno de correne. Como os eemenos podem er envehecmeno não unforme, podem surgr correnes parasas enre as baeras. Em nsaações de baxa poênca, esse efeo não é ão nocvo quano em nsaações de aa poênca. Recomenda o número máxmo de 6 conexões em paraeo. Por movo de segurança, recomendase peo menos 2 bocos em paraeo.
8.2.3. Desempenho e Caracterscas das Bateras de Chumbo-Ácdo Vejamos aguns ermos reavos às baeras que devemos consderar, no momeno de projear um banco de baeras: •
Carga/Descarga : processo de conversão da energa eérca em energa qumca e vce versa.
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Durane o processo de carga a ensão da baera aumena gradavamene e, depos de cero vaor, nca-se o processo de gaseicação (eeróse e beração dos gases). Próxmo da ensão de gaseicação, o fabrcane deermna o vaor máxmo de ensão para a carga da baera, depos do qua o processo de carga é nerrompdo. Essa é a função do Reguador de Carga, que apca anda a ensão correa de acordo à emperaura ambene. À medda que a baera se descarrega a ensão dmnu. Ca rapdamene no nco devdo às perdas ôhmcas, depos ca connuamene aé o im da carga, quando ca rapdamene e ange o vaor me a parr do qua a concenração do ácdo dmnu muo e começam os efeos nocvos da sufaação (cado abaxo). •
Capacidade: é a quandade de carga eérca que uma baera pode fornecer aé icar oamene descarregada. A capacdade é o produo da descarga consane ( In) peo empo de descarga ( tn): Cn = In * tn.
É a forma e o número de pilhas gadas em paraeo que deermnam a capacdade de uma baera. Esse vaor depende da emperaura de operação, da ensão ina e prncpamene da correne de descarga. Com correnes de descarga menores, a deposção do sufao nas pacas aconece vagarosamene, o que perme maor penetração do sufao. Com maores correnes de descarga a deposção do sufao aconece mas rapdamene, as moécuas se deposam no começo das pacas e atrapalham as moécuas segunes. Ou seja, é possve rerar mas energa da baera quando é fea uma descarga lenta, do que quando é fea uma descarga rápida. É por sso que a capacdade nomna (Cn) da baera em que ser especicada de acordo à correne de descarga, ou de acordo ao empo de descarga. o
o
•
•
•
•
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Capacdade nomnal C n: quandade de carga exrave de uma baera (ou eemeno) em n horas, em uma emperaura méda de 25 ° C, e deermnada correne, aé que a ensão da baera caa para 1,8 V/eemeno (10,5 V numa baera monoboco de 12 V nomnas). Se a capacdade oa de uma baera for uzada em 10 horas, será drenada uma correne muo maor do que se a descarga for fea em um perodo de 100 horas. Uma baera de C100 = 100 Ah, pode ser descarregada em 100 horas com uma correne de 1 A. Se dessa baera for drenada uma correne de 8 A, ea angrá a ensão ina em 10 horas. Sua capacdade em C10 será de 80 Ah (C10 = 80 Ah). O fabrcane é quem ndca qua é a capacdade nomna da baera, sendo que para as baeras esáconáras (para ssemas de backup) é de C10, para baeras de parda é de C20 e para as baeras foovoacas é de C100. Capacdade úl : capacdade uzáve da baera. É o produo da capacdade nomna pea profunddade de descarga.
Profundidade de Descarga: quocene enre a carga exrada e a capacdade nomna de uma baera, expressa em porcenagem. A máxma profunddade de descarga, em uma baera de chumbo-ácdo, deve ser de 80%. Acma dsso, a baera pode não se recuperar e ser recarregada novamene. Autodescarga : perda de carga da baera quando esa esá em crcuo abero. É provocada pea consane reação qumca no neror da baera. Geramene é expressa em porcenagem, medda por mês. A auodescarga é maor ou menor, segundo a emperaura no ambene das baeras. Devdo à essa perda energéca, baeras não podem ser armazenadas, ou dexadas sem recarga, em ssemas foovoacos de uso esporádco. Ciclo: sequênca completa de carga e descarga da baera em deermnada profunddade de descarga. Quano menor a profunddade de descarga, mas ccos uma baera supora. Um cco é abero quando a baera começa a se descarregar, e é fechado quando a baera é completamente recarregada. Em um ssema foovoaco que não recebeu suicene radação soar, o banco de baeras não será compeamene carregado e o cco connua, com profunddade de descarga maor. Corrente: assm como a capacdade, é deermnada baseando-se no perodo descarga/descarga da baera:
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I20 = C20/20 h I100 = C100/100 h
8.2.4. Efeitos do Envelhecimento nas Baterias O grande nconvenene das baeras é a sua cura vda ú, enre 2 e 6 anos (de 10 a 15 anos, para as baeras foovoacas especas). Os movos da vda ú reduzda são os processos de envehecmeno sofrdos peos eemenos. Esses processos reversves ou não, que podem se nluencar e nensicar muuamene, são sados a segur: •
Estraicação do Eetróto (reversível ): com o processo de carga e descarga, o ácdo no eeróo ende a descer para o fundo da baera, devdo à sua maor densdade em reação à água que é berada no processo. Durane o processo de recarga, o ácdo va se recombnando com a água, mas connua mas concenrado na pare nferor, provocando maor dferença de poenca e maor desgase na pare nferor das céuas. Para evar a esraicação é recomendáve uma pequena gaseicação conroada do eeróo, aravés de uma carga de equalzação, que consse em uma sobrecarga por curo perodo. Os conroadores de carga mas soiscados são capazes de apcar cargas de manuenção. Caso o ssema PV não dsponha desse po de conroador, o écnco pea manuenção deve porar um carregador ou ransporar a baera para essa arefa.
Baeras de eeróo mobzado não sofrem esse efeo e não podem receber as cargas de equazação, que as danicara, aém de ouros rscos operaconas. •
•
•
•
•
Corrosão (irreversível ): a corrosão da grade de chumbo do poo posvo é causada peo ao poenca posvo, que provoca o aumeno da ressênca da grade. Ocorre com mas frequênca quando a ensão urapassa os 2,4 V ou ica abaxo dos 2,0 V. As escamas de maera corrodo que caem das pacas podem provocar curos-crcuos. Sulfatação (Irreversível ): Se a baera não for suicenemene carregada depos de uma descarga, começam a se formar crsas de sufao que não são mas converdos em chumbo ou óxdo de chumbo durane a recarga. Com sso a maéra ava dmnu e juno, a capacdade de carga da baera. A pare nferor da céua e a mas afeada, pos raramene recebe uma recarga oa. Sedimentação (irreversível ): a varação de voume durane os processos de carga e descarga provoca o desprendmeno de maéra ava que, com a formação de gás no eeróo ica soo e ca no fundo do vaso. Se o espaço enre o fundo e as pacas for pequeno, esses pedaços de maéra ava podem causar curo-crcuo enre as pacas.
Baeras de eeróo mobzado não sofrem desse probema. Secagem (irreversível ): se ocorrer a gaseicação oa do eeróo e a água (desada) não for reposa, a baera secará e não funconará mas.
Baeras de eeróo mobzado não sofrem desse probema.
8.2.5. Cuidados com Baterias Estacionárias: Para uma maor vda ú do banco de baeras, aguns cudados devem ser omados: •
Evar descargas dáras maores que 30% de profunddade.
•
Evar descargas no im da auonoma maores que 60%.
•
•
Sempre nsaar as baeras em ocas venados (exceo as de eeróo mobzado) e de acesso resro. Conferr perodcamene o nve de eeróo das baeras úmidas, pos a secagem do eeróo
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deermna o im da baera. •
•
•
•
Maner os ermnas mpos e aperados, evando aumeno de ressênca ou possbdade de curo-crcuo causado peo acúmuo de sujera úmda. Usar EPI durane o rabaho com as baeras. As baeras são a maor fone de pergo numa nsaação PV auônoma. As meddas de segurança são apcadas ano às pare eérca, quano à pare qumca, pos o ácdo sufúrco é nocvo para seres humanos e para o meo ambene, podendo provocar séras quemaduras em conao com a pee. Os ohos e narnas devem esar proegdos durane o manuseo das baeras. As baeras de eeróo mobzado êm a vanagem serem menos crcas quano à segurança. Fazer manuenção peródca, no mnmo a cada 6 meses, ao uzar baeras de eeróo úmdo. Nas baeras de eeróo mobzado é recomendáve a manuenção anua. Evar baeras auomovas para a concepção do banco de baeras, pos não são adequadas e erão que ser subsudas em perodos muo curos.
Quano à reccagem, o Bras já em egsação que exge que o fabrcane recoha uma baera para cada undade vendda. O chumbo e a carcaça podem ser reccados para a cração de uma nova undade, enquano os resos de ácdo podem ser raados anes de serem deposos. Esses procedmenos mnmzam o mpaco ambena de se uzar as baeras de chumbo para acumuar energa em nsaações foovoacos auônomas.
8.3. Controlador/Regulador de Cargas Em um ssema foovoaco auônomo, a ensão do arranjo foovoaco deve ser compave com a ensão nomna do banco de baeras, que cosuma ser de 12 V, 24 V, ou 48 V. O controlador (ou reguador) de carga/descarga aumena o rendmeno do ssema foovoaco e
a vda ú (quandade de ccos) das baeras. As ensões de carga e equazação devem ser maores que a ensão nomna, podendo ser em orno de 14,4 V numa baera com ensão nomna de 12 V . Móduos standard , com 36 a 40 céuas foovoacas de sco crsazado, geram ensões nomnas enre 15 V e 18 V. Com o aumeno da emperaura, a ensão dos móduos PV dmnu, mas anda assm deve ser maor que a ensão de carga das baeras. Quando a emperaura é menor, a ensão em pono de máxma poênca (Vmpp) do móduo cado acma será de aproxmadamene 21 V e a ensão em crcuo abero será de 25 V, urapassando o me máxmo de ensão para recarga das baeras. Um conroador de carga mede a ensão das baeras e as proege de sobrecargas ndevdas, de uma das segunes formas: •
Desconecando o arranjo foovoaco quando sua ensão urapassa a ensão me para recarga, como fazem os conroadores em sére.
•
Apcando um curto-circuito no arranjo PV aravés de um conroador shunt .
•
Ajusando a ensão do arranjo, como fazem os conroadores com MPPT .
Quando o nve de rradânca é baxo, o nve de ensão do arranjo PV será nferor à das baeras, fazendo com que as baeras se descarreguem nos móduos. Para evar so, os conroadores possuem dodos de boqueo negrados.
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Figura 99 - Controladores de carga
As funções fundamenas de um conroador de carga são: •
Conroe da perfea recarga do banco de baeras.
•
Proeção conra sobrecargas ndevdas.
•
Proeção conra descarga excessva (acma de 80%, ou ajusáve).
•
Informação do nve de carga do banco de baeras.
O mehor funconameno das baeras para um ongo perodo de vda, requer cera inteligência dos conroadores de carga, que devem se adequar as ensões de carga, ao nve de carga, dade, emperaura de operação e po (ge, eeróo qudo, ec.) de baera. Como a ensão de recarga deve varar em função da emperaura, os conroadores de carga devem possur um sensor, que se for negrado ao conroador, esse deve ser nsaado próxmo ao banco de baeras. Em aguns modeos o sensor é exerno, permndo sua nsaação sobre as baeras. Os conroadores de carga e descarga possuem um ssema de Desconexão em Baixa Tensão (LVD — Low Votage Dsconnect ), que proegem as baeras de descargas excessvas que evam profunddades de descarga maores que 80%. Essa proeção é ava quando a ensão do banco de baeras ca abaxo de deermnado vaor, e pode ser ajusado em aguns modeos de conroadores. Os conroadores suporam correnes madas, ano de enrada (do arranjo foovoaco), quano de sada (das cargas CC). Possuem fusves de proeção para os componenes sensves conra o excesso de correne e, geramene possuem o mesmo me ano na enrada quano na sada. Os conroadores comercas em capacdade que vão de 5 A aé 60 A. Para arranjos foovoacos maores, podem ser uzados város conroadores em paraeo, ou o arranjo é dvddo em painéis menores gados ao mesmo banco de baeras. Esa úma coniguração dá mas segurança e lexbdade ao ssema pos, no caso de faha de um dos panés, os demas connuam fornecendo poenca. Nos dos casos, não é recomendado o uso de conroadores dferenes.
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8.3.1. Formas de Controle de Carga De acordo à forma como conroam a carga do banco de baeras, os conroadores podem ser cassicados em: conroadores sére, conroadores shunt ou conroadores com MPPT. Vejamos o funconameno de cada um desses pos. 8.3.1.1. Controladores Sére
Quando o banco de baeras acança a ensão máxma de carga, esse po de conroador desconeca o arranjo foovoaco aravés de um reê ou uma chave de estado sólido , voando a conecar o arranjo PV quando a ensão ca para deermnado vaor. Essas conexões e desconexões cram uma oscilação de ensão próxma à ensão máxma de carga, mas ambém cra perdas de energa.
Figura 100 – Esquema de funconamento de um controador de carga do po Sére
8.3.1.2. Controladores Shunt
Um conroador shunt reduz connuamene a poênca do arranjo foovoaco, a parr do momeno em que a ensão máxma de carga é acançada. Como o arranjo connua gerando energa, a correne excedente é usada como corrente de curto circuito no arranjo PV, que pode rabahar em curo crcuo – sofrendo apenas um eve aumeno de emperaura. Ese é o méodo dea para as baeras, pos a recarga é fea de forma segura e eicene.
Figura 101 - Esquema de funconamento de um controador de carga do po Shunt
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8.3.1.3. Controladores com MPPT
Como é a ensão das baeras que deermna o pono de operação do arranjo foovoaco, fazendo com eses rabahem fora do pono de máxma poênca na maor pare do empo, os conroadores de carga do po shunt ou sére nem sempre conseguem aprovear o máxmo da energa soar dsponve. As perdas energécas podem icar enre 10% e 40%, de acordo à ensão das baeras, da rradânca e da emperaura. Essas perdas podem ser evadas ao se uzar um ssema de seguimento do ponto de máxima potência (MPPT) que é, bascamene, um conversor DC/DC reguado. A reguagem é fea por um MPPT que a cada 5 mnuos (aproxmadamene) estuda a curva caracersca I-V do arranjo foovoaco e deermna o ponto de máxima potência , reguando o conversor DC/DC para aprovear ao máxmo a poênca do arranjo e ajusando-o em função da ensão de carga das baeras. A eicênca do conversor DC/DC esá em orno de 90% a 96%.
Figura 102 - Esquema de funcionamento de um controlador com MPPT
O uso de conroadores MPPT só é eicene em ssema com poênca pco superor a 200Wp, pos em poêncas menores as perdas no conversor DC/DC são maores que os ganhos. Devdo à maor compexdade e soiscação do crcuo eerônco, os conroadores MPPT são mas caros que os conroadores do po Sére ou Shunt , e seu uso é benéico em ssema com poênca pco superor a 500Wp.
8.3.2. Critérios de Seleção de um Controlador Na hora de escoher o reguador/conroador para um ssema foovoaco, evamos em consderação: •
•
•
Tensão Nominal do Sistema PV: o conroador deve er ensão nomna gua à ensão do banco de baeras, que é a ensão nomna do ssema foovoaco, que é quem deermna o modo de assocação dos móduos foovoacos e das baeras. Corrente de Curto Circuito do Arranjo Fotovoltaico : os conroadores devem ser capazes de receber a oadade de correne envada peo arranjo foovoaco, que é a correne de curocrcuo. A correne de curo-crcuo do arranjo é a soma das correnes dos móduos gados em paraeo. Deve-se consderar um faor de segurança enre 10% e 25%, e a gação de fusves enre o arranjo PV e o conroador de carga. Corrente de Saída: no caso de cargas CC gadas ao conroador, deve-se consderar um faor de segurança enre 10% e 25% para a correne que va das baeras parras essas cargas. Para cacuar a correne de sada, somam-se as correnes de parda de odas as cargas que funconarão smuaneamene.
Fabrcanes de conroadores de carga: ATT TBB, Heorope, Maservo, Meyer Soar Technoogc, Mornngsar, Phocos, Reusoar, Schams Eecronc, Soarwa, Seca, SunSeecor, Sun Ware, Trace, Uhmann Soareecronc, Xanrex.
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8.4. Inversores Autônomos Nos ssemas foovoacos, a geração, armazenameno e dsponbzação da eercdade é na forma de correne connua (CC). Para a uzação de aparehos que funconam com correne aernada (CA) é necessáro um conversor que ransforme a correne connua com ensões enre 12 V e 48 V, em correne aernada com ensões de 127 V ou 240 V. Essa é a função dos Inversores Autônomos, uzados em ssema foovoacos soados.
Figura 103 - Inversores para uso fotovoltaico.
8.4.1. Caracterscas dos nversores Autônomos As caracerscas desejáves para a escoha de um bom nversor para um ssema foovoaco auônomo são sadas abaxo: •
•
•
Boa eicênca na conversão eétrca: . É recomendado que o(s) nversor(es) enha(m) eicênca acma de 80%. A eicênca máxma de um nversor aconece, geramene, quando ese esá fornecendo enre 50% e 70% de sua capacdade nomna connua. Inversores mas soiscados conseguem aas eicêncas mesmo quando parcamene carregado, ou com carga próxma à máxma nomna. Alta capacidade de sobrecarga: um nversor deve ser capaz de fornecer uma poênca nsanânea bem maor que a poênca nomna, o que permrá a parda de dsposvos eércos que consumam aa correne de parda (ex.: moores), sem a necessdade de super dimensionar o nversor na fase de projeo. Toerânca para as lutuações de tensão das bateras: durane os processos de carga e descarga, a ensão das baeras vara de a manera, que pode ser nocva a dsposvos mas sensves.
•
Baixo autoconsumo: (quando em stand-by ) e deecção auomáca de cargas.
•
Proteção contra curto-circuito na saída CA.
•
Aa proeção eeromagnéca.
•
•
Baixa distorção harmônica: se refere à quadade da forma de onda de sada da correne aernada. Quano menor a dsorção, mas quadade em a correne de sada. Proteção contra surtos.
Aguns nversores possuem um ssema possuem um ssema de conroe que hes perme carregar o banco de baeras por uma fone de energa eérca em correne aernada. Esses nversores, chamados de nversor-carregador , não são nversores grd-e e não podem ser uzados em ssema on-grid . Tpos de Inversores De acordo ao formao de onda de sada os nversores auônomos podem ser cassicados em: •
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Inversores de onda quadrada: São os mas baraos. A onda de sada em uma grande quandade de harmônicos ndesejados, que geram nerferêncas em aguns aparehos, e ambém perdas de poênca. Cosumam ser uzados com cargas pequenas (ex.: v’s, noebooks, ec.) e não são
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adequados para moores. Tem dsorção harmônca que pode chegar a aé 40%, e rendmenos em orno de 60%. Inversores de onda senoda modicada: São os que apresenam a mehor reação cuso-beneíco. O formao da onda de sada não é uma senóde pura, mas se aproxma muo. Podem alimentar quase odo po de carga, mas não são recomendados para aparehos eerôncos mas delicados. Tem dsorção harmônca em orno de 20%, e rendmenos em orno de 90%.
•
Inversores de onda senoidal pura: São os que êm formao de onda de sada gua à rede eérca das concessonáras. São ndcados pra amenar dsposvos eeroeerôncos mas sensves e auamene esão sendo mas uzados que os ouros pos de nversores. Não apresenam probemas quano a dsorções harmôncas ou esabdade da ensão. São mas caros que os nversores de onda quadrada ou senoda modicada.
•
8.4.2. Critérios de Seleção de Inversor Autônomo Fones de energa em correne connua de 12 V ou 24 V acançam seus mes quando é necessáro amenar cargas mas poderosas ou quando é necessáro um segmeno de cabo muo comprdo. Baxas ensões requerem aas correnes para fornecerem o mesmo poenca eérco, e sso deermna o uso de cabeameno com grande seção ransversa. Soma-se a eses faores a não dsponbdade da maora dos eerodoméscos e ouros aparehos em correne connua. Em aguns casos, aé mesmo os ssema de umnação ica mas eicene, se amenado por um nversor. Em ssemas foovoacos auônomos (soadas) o nversor é conecado dreamene à baera, desde que possua ssema de desconexão por baixa tensão ( LVD). Esses nversores são, geramene, monofáscos em ensão de 110/115 vos (padrão amercano) com frequênca de 60 Hz, e ensão nomna de enrada de 12 e 24 vos. Temos no mercado grande dsponbdade de nversores em váras poêncas, que vão desde aguns Was aé quowas. Os nversores para poencas maores que 500 W geramene possuem ensão de enrada de 24 V . Inversores acma de 5 kW de poênca, geramene, em ensões de enrada gua ou maor que 48 V. Os nversores nluencam dreamene a ensão nomna d ssema foovoaco, pos não é recomendáve uzar um conversor CC/CC, o que baxara o rendmeno goba do ssema PV. Para a escoha da poênca nomna do nversor, uzamos a segune equação:
Onde: P I = Poênca nomna do nversor W AC = Poênca das cargas CA gadas smuaneamene F S = Faor de segurança.
O faor de segurança será dmensonado de acordo à quandade de cargas com aas poêncas de parda, como geadera, avadora de roupas, ferramenas e ouros moores. Ssemas foovoacos auônomos resdencas podem se beneicar do uso de város nversores, dvdndo as cargas de acordo ao peri de uso e smuanedade. Como exempo, podera odo o crcuo do ssema de umnação esar concenrado em um nversor de menor capacdade; os aparehos eerôncos comuns às saas de esar poderam ser gados a ouro nversor; a geadera podera er um nversor devdamene cacuado para as suas necessdades; enquano os pequenos eerodoméscos comuns à coznha podera fazer uso do nversor dedcado à avadora de roupas e mcro-ondas, que não são avados smuaneamene. Ta coniguração pode ornar o ssema mas coniáve, aém de mas barao em aguns casos, pos um nversor que suporasse odas as cargas sera mas caro que város nversores menores. t
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Fgura 104 - Esquema de gações smpicado.
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Dimensionamento de Sistemas Fotovoltaicos Autônomos.
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9. Dimensionando Sistemas Fotovoltaicos Autônomos Nese capuo faremos o dmensonameno de um Ssema Foovoaco Auônomo. O exempo de cácuo será um pequeno ssema que suprrá de energa eérca uma pequena resdênca rura suada nas proxmdades da Cdade de São Pauo. Para deinr odos os eemenos que comporão SFA em quesão vamos segur uma ógca de racocno no cácuo de cada componene, segundo a sa a segur: 1. Caracerscas do Ssema Foovoaco. 1. Demanda dára méda 2. Poênca do(s) Inversor(s) Auônomo(s) 2. Banco de Baeras. 1. Capacdade Ú 2. Profunddade de descarga 3. Capacdade Rea 4. Coniguração dos eemenos 3. Pane Foovoaco. 1. Dsponbdade soar 2. Poenca soar no pano do pane foovoaco 3. Cácuo e coniguração de eemenos 4. Conroador(es) de carga 4. Cabeameno Durane o dmensonameno do SFA faremos uso de dversas fórmulas rápidas que, se memorzadas, permrão o cácuo rápdo em quaquer suação. Acosume-se com as fórmuas e os ermos uzados nese exo. Para facar a memorzação, ranscrevemos cada um dos ermos em uma sga. Vejas as fórmuas e sgas ogo abaxo. No decorrer do exercco comenado dese capuo faremos uso de cada uma dessas fórmuas. Se preferr (cope e) desaque esa págna e faça város exerccos. O méodo de cácuo apresenado aqu só deve ser uzado para ssemas foovoacos auônomos que uzem móduos foovoacos para ssemas auônomos (móduos Sandard) de 36 ou 72 céuas.
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NB = BS * BP
Nomencauras: NB = Número de Baeras
BS =
BS = Baeras em sére (para acançar a ensão de projeo). BP = Baeras em paraeo (para acançar a capacdade de acumuação necessára).
BP =
V = Tensão de operação do ssema (em Vos). VB = Tensão nomna da baera/eemeno (em Vos).
CR =
CR = Capacdade Rea do Banco de Baeras (em Amperes hora Ah). CN = Capacdade Nomna da Baera/eemeno (em Ah).
CU =
CU = Capacdade ú do Banco de Baeras (em Ah). Pd = Profunddade de descarga das baeras/eemenos no im da auonoma (40% = 0,4).
ER = Nm = mS * mP
ER = Energa Rea dára ( já compuadas as perdas). ED = Energa Dára a ser fornecdas às cargas. R = Rendmeno Goba da Insaação em decma (89% = 0,89).
mS =
Nm = Número oa de móduos foovoacos.
mS = Móduos em sére (para acançar a ensão de projeo). mP = Móduos em paraeo (para acançar a correne de projeo).
mP =
V = Tensão nomna de operação da nsaação (em Vos). = Tensão nomna do móduo foovoaco escohdo (em Vos). = Energa que o Pane deverá gerar daramene (em Wh/da)
= HSP =
= Correne de Máxma Poênca do Móduo escohdo (em A) = Poenca energéco do oca da nsaação, no pano do pane (Horas de So Peno em kWh/da em méda mensa) ER = Energa Rea dára ( já compuadas as perdas). HC = Energa soar ncdene no oca da nsaação (em kWh/m²) = Coeicene de reação da energa ncdene num pano ncnado orenado ao equador, e o pano horzona (chão). Análise da Curva de Carga O prmero passo é a anáse dos consumos, onde vericamos a poênca e o empo de uso de cada apareho consumdor de energa eérca. No caso da resdênca rura, eremos os segunes aparehos eeroeerôncos que deverão receber poênca eérca, cada um em seu empo de uso:
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Qt 2 1 3 1
Descrição Lâmpadas na saa (luorescene) Lâmpada na coznha (luorescene) Lâmpadas do quaros (luorescene) Tv + Anena parabóca
Potênca (Wh)
9W 9W 9W 120 W
Tempo de uso (h)
4h 6h 3h 5h Subtotal
Consumo Diário (Wh/Dia)
72 Wh/da 54 Wh/da 81 Wh/da 600 Wh/da 807 Wh/dia
Noe que mupcamos a poênca em Was do apareho peo empo de uso, e assm obemos o seu consumo eérco em Wa hora por da (Wh/da). Soma-se o consumo de odos os aparehos e eremos o poenca eérco que o ssema foovoaco deverá fornecer às cargas. Esse é o prmero dado, e um dos mas mporanes, para a concepção de um ssema foovoaco. Todos os aparehos cados acma são de uso comum e funconam em correne aernada (CA) em 127 Vos. Porano deverão ser conecados às baeras por nermédo de um Inversor de Corrente Autônomo com sada em 127 Vos. Anes de vericar nos caáogos de fornecedores, precsamos saber a poênca de a nversor. Para sso vericamos a potência instantânea que o nversor deverá conroar, somando a poênca dos aparehos que serão gados smuaneamene. No exempo em que esamos rabahando, consderamos a possbdade de odos os aparehos serem gado ao mesmo empo: Qt
2 1 3 1
Descrição
Lâmpadas na saa (luorescene) Lâmpada na coznha (luorescene) Lâmpadas nos quaros (luorescenes) Tv + anena parabóca Total
Potênca (Wh) 9W 9W 9W 120W 174 W
A poênca que o nversor deverá conroar será de 174 W de manera permanene. Como os conversores de correne, êm sua máxma eicênca ao rabaho na faxa enre 50% e 70% da sua capacdade máxma, devemos prever uma folga ao dmensonar o nversor. No caso apresenado agora, eremos o segune cácuo:
Podemos escoher, na sa de produos de um dos fornecedores, um nversor com poênca connua enre 250 W e 350 W, com sada para 127 Vos. Nese exercco exempo uzaremos um Inversor Auônomo do fabrcane Xanrex, modeo Prowa 250, com as segunes caracerscas: Máxma Potênca Conínua
Potência de Surto/Pico Tensão de Saída CA Tensão de Entrada CC Eicênca Máxma
Formato de Onda de Saída
250 Was 500 Was 115 V (padrão amercano) 12 V ou 24 V 90% Onda Senoda Modicada
Noe que o fabrcane não ca a faxa de máxma eicênca, apenas o seu vaor: 90%. Esse nversor auônomo em poênca de suro/pco de 500 Was e a sada é em onda senoda modicada, não sendo adequado para a parda de moores. A ensão de enrada pode ser ano 12 Vos quano 24 Vos. Recomenda-se a ensão de 24 Vos, pos assim a bitola dos ios poderá ser menor, sem que hajam perdas de poênca eérca. Devdo ao fao do nversor auônomo er eicênca máxma de 90%, deve-se consderar um novo vaor para a energa eérca a ser gerada daramene peo ssema foovoaco ( ED), que eve em cona o auoconsumo do nversor. Para sso, dvdmos o vaor enconrado anerormene ( 807 Wh) peo vaor da eicênca do nversor em decma (0,90):
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= 897 Wh/da
O vaor mosrado acma é o que deve chegar aé os ermnas do nversor, em correne aernada, e que será converdo em correne connua para a amenação das cargas cacuadas anerormene. Devdo às perdas em odos os eemenos que compõem o ssema foovoaco, devemos consderar um poenca acma do espuado acma, no qua seja compuado o Rendmento Global do SFA. O vao médo do Rendmento Global é de 89% (0,89) que é cacuado medane os faores de perdas possves que envovem desde a perda por conversão eeroqumca no neror das baeras aé um faor admensona que eva em consderação a possbdade de mau uso. Esse coeicene de perdas admensona é ensinado nas facudades de engenhara e é jocosamene chamado de FC , sendo que aqu o nomeamos de Coeicente de perdas por Vericação (K V ). Caso você enha neresse em conhecer os coeicenes e meodooga de cácuo do rendmeno goba de um SFA, enre em conao com o seu uor e peça o documeno: Rendmento Goba . Por hora consderamos o vaor médo padrão: R = 0,89
A ensão da pare CCd (correne connua) do SFA será de 24 Volts, devdo ao nversor auônomo escohdo, conforme da anerormene: Vi = 24 V
A auonoma vara de acordo ao nve de nsoação da ocadade onde será nsaado o ssema foovoaco e o nve de segurança, ao cuso de mas baeras. Suponhamos que reazaremos esa esação geradora PV numa ocadade beneicada peo so, onde raramene emos dos das sem nsoação drea. Porano podemos escoher uma Autonomia de 3 dias. N=3
9.1. Banco de baterias O banco de baeras será composo por baeras Moura 12MF105, que são baeras de 12 V de ensão nomna, e em capacdade C20 = 105 Ah. A mehor profunddade de descarga para ese modeo (para um empo de vda esmado em 2 anos) é de 45 %. Com 3 das de auonoma e profunddade de descarga no im da auonoma em 60%, emos em orno de 20% de profunddade de descarga dára, e a projeção de mas de 1800 ccos de carga e descarga. Nos ssemas foovoacos auônomos as baeras rabaham com ccagem dára, ou seja, são descarregadas e descarregadas daramene. É necessáro consderar a probabdade das baeras não “fecharem o cco” no da segune, e connuarem se descarregando em uma profunddade maor. Observando no gráico do fabrcane podemos, enão, esmar a vda ú da baera, com base na profunddade de descarga:
Figura 1 - Gráico da vda ú pea profunddade de descarga das Bateras Moura
Com base nesse gráico podemos esmar que as baeras ‘vverão’ enre 2 anos (300 c cos – a 40%) e 5 anos (1800 ccos – a 20%).
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Segundo com os cácuos, usaremos as segunes caracerscas para ese modeo de baera: Vb = 12 V Cn = 105 Ah Pd = 0,6
Esas caracerscas varam enre fabrcanes e modeos, devdo às ecnoogas que eses uzam em seus dsposvos. Os manuas e caáogos écncos razem esas caracerscas. Aplicação do Método de Cálculo:
Já emos dados suicenes para cacuar as caracerscas de um banco de baeras para suprr as necessdades da resdênca ensaada: ED = 897 Wh/Da N=3 Vi = 24 V R = 0,89 VB = 12 V CN = 105 Ah Pd = 0,60
Vamos cacuar a Energa Rea a ser fornecda pea nsaação, que é a Energa Dára somadas as perdas:
=
1.008
ER = 1.008 Wh/Dia
Sabendo a Energa Rea, podemos cacuar a Capacdade Ú do banco de baeras para 3 das de auonoma:
CU =
CU =
= 126
CU = 126 Ah
As baeras não podem se descarregar oamene, pos ocasonara a im da sua vda ú . Podemos aprovear apenas uma pare da energa acumuada nas baeras, o que equvae à profunddade de descarga. Por sso a Capacdade Rea do banco de baeras deverá ser maor que a Capacdade Ú: para que “sobre” carga acumuada nas baeras. Como já vmos, quano menor a profunddade de descarga, mas ccos de carga e descarga a baera supora. Só que uma menor profunddade de descarga demanda uma maor Capacdade Rea, o que encarece o banco de baeras. Vamos aos cácuos:
CR =
CR =
= 210
CR = 210 Ah
Porano o banco de baeras deverá er a Capacidade Real de 210 Ah para prover a poênca de 1.008 Wh/Dia por 3 dias. Devdo a perdas em oda a nsaação, devemos fornecer um pouco mas às cargas, que demandam 897 Wh/ Dia. Cacuaremos a quandade, e o modo assocação das baeras Moura 10MF105 para monarmos esse banco de baeras.
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Prmero o número de baeras em paraeo:
BP =
BP =
=2
BP = 2
Teremos, porano 3 baeras em paraeo. Vejamos a quandade de baeras em sére:
BS =
BS =
=2
BS = 2
Usaremos, enão 2 baeras em sére. Já sabemos enão o número oa de baeras:
NB = BS * BP
NB = 2 * 2 = 4
NB = 4
Nosso banco de baeras será consudo por 4 baeras Moura 12MF105, que serão assocadas da segune forma: 1 – 2 baeras em sére, oazando 24 V 2 – 2 conjunos guas aos anerores compeando a capacdade de carga necessára.
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Dicas Importantes:
Os fabrcanes dão ceras recomendações em reação aos bancos de baeras, ano para maor segurança dos ssemas, quano para maor vda ú das baeras: 1 – Evar mas de 6 ramos/bocos (baeras em sére) em paraeo, para evar os efeos do envehecmeno ‘não unforme’ das baeras; 2 – Ter no mnmo 2 ramos/bocos em paraeo, para maor segurança, no caso de um eemeno em sére apresenar fahas; 3 – Evar monar bancos de baeras com capacdade oa muo maor que a correne máxma do pane foovoaco. É recomendado que o banco de baeras enha capacdade máxma enre 10 vezes a 15 vezes a correne máxma do(s) pane(es) foovoaco(s), e o me máxmo de 25 vezes a correne máxma.
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9.2. Painel Fotovoltaico 9.2.1. Inluênca do Controador de Carga Há uma mporane consderação a ser fea, quando se cacua o pane foovoaco, em reação ao(s) conroador(es) de carga uzado: Conroadores com MPPT (Seguidor do Ponto de Máxima Potência) por possurem um conversor DC/DC enre o pane foovoaco e o banco de baeras, conseguem aprovear mehor a rradânca enconrando sempre o pono de máxma poênca (por sso o nome) e fornecem uma ensão consane com correne varáve, exrando poêncas apcáves mesmo em suações de radação abaxo do umbra. Conroadores sem MPPT desperdiçam pare da energa soar nas prmeras e úmas horas do da, bem como em perodos de baxa nsoação. Como NÃO se adaptam às condções de rradânca e emperaura (como fazem os MPPT’s) as rradânca abaxo do umbra não são suicenes para avar seus crcuos (no caso dos conroadores mas soiscados) ou vencer a barreira mposa peos dodos nerno de proeção, fazendo com que a energa converda peos móduos não seja apcada às baeras. Aém dsso, a forma de auação dos nversores menos soiscados, que não sua grande maora é do po série, provoca um grande perda em reação à poênca pco do pane foovoaco. Quando panejamos um pane foovoaco para ssemas auônomos que possua um conroador de carga com MPPT podemos consderar a Energia que o Painel deve gerar (Ep) como sendo gua à Energa Real (ER):
Se o projeo não possur um conroador de carga com MPPT devemos consderar que a Energa que o Pane deve Gerar (Ep) deve ser 10% superor que a Energa Rea ( ER) para compensar essas perdas (e ouras) no conroador:
Nese exercco, consderamos um conroador de carga SEM Segudor do Pono de Máxma Poênca ( MPPT ), por sso eremos:
9.2.2. Inluênca da Dsponbdade Soar no Loca O Ssema Foovoaco Auônomo será nsaado em uma fazendo próxma à São Pauo. Para saber o poenca soar de quaquer ocadade (ou cdade de referênca) do Bras fazemos uso do banco de dados de Radação Soar do CRESESB – Cenro de Referênca para Energa Soar e Eóca Sergo de Savo Bro ( www.cresesb.cepe.br ). O CRESESB dsponbza uma ferramena de consua aos dados chamado de Sundaa, dsponve aravés do segune nk:
hp://bt.y/qDhZhr
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Para consuar os dados é necessáro nformar a aude e ongude do oca de nsaação do SFA. Essa nformação pode ser adqurda facmene aravés do Googe® Maps®:
hp://maps.googe.com.br/ Apenas ‘enconre’ a ocadade a ser pesqusada e cque com o boão dreo do seu mouse, seecone: “O que aqu?”, e as coordenadas geográicas aparecerão na barra de pesqusa.
Lance a aude e ongude no S undata para a consua, que reornará uma abea com os vaores de Radação Soar em méda mensa.
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Para o dmensonameno do pane foovoaco de um ssema auônomo, consderamos o menor vaor de Radação, que no caso acma se refere ao mês de Junho: 2,94 kWh/m².da no pano horzona, aém dos vaores da Radação em rês ncnações dferenes. A sujera sobre os móduos foovoacos é ão represenava na geração, que uzamos um coeicene para avaar a sua ação sobre a geração. Em ocas de aa poução amosférca subramos um percenua de 5% da Radação Soar dára; em ocas afasados dos cenros urbanos podemos consderar um ganho de 5% devdo à menor absorção dos raos soares peas parcuas suspensas. Pode ser uzado o fao 1 para os casos de desconhecmeno sobre os nves de sujera/poução do ar. Na cdade de São Pauo, o coeicene de correção será de c = 0,95 e o poenca energéco corrgdo ( Hc) será de 2,94*0,95, ou seja: Hc = 2,94*0,95 = 2,79 kWh/m².da
Geramene a mehor ncnação para um pane foovoaco é dada pea segune fórmua: β = a + (a/4) β = Incnação do pane foovoaco em graus, em reação ao pano horzona. a = aude da ocadade em graus Essa fórmua dá um vaor aproxmado. O banco de dados Sundaa do CRESESB sugere a mehor ncnação para o pane foovoaco que, se consderada no projeo, produz ómos resuados. Como a cdade de São Pauo esá suada na aude de 23,32° a mehor ncnação para um pane foovoaco de ssema auônomo é: Β = 23,32° + (23,32°/4) = 29,15° ≈ 30° de ncnação (o Sundaa sugere 28°).
9.2.3. Inluênca da Incnação do Pane Fotovotaco O conjunto de tabelas “Fator de Correção k para superfícies inclinadas”, disponível para download no endereço http://www.blue-sol.com/downloads/HSP-e-FatorK.xls, mostra a diferença entre a energia captada por uma superfície orientada para o equador e inclinada em determinado ângulo, e a energia captada por uma superfície semelhante sem inclinação em relação ao plano horizontal. Na planilha temos os fatores k para a latitude de 23° (23,32° se aproxima mais de 23°.). Se tomarmos como base a inclinação de 30° (arredondamos para cima a inclinação ideal de 29,15° em São Paulo) observaremos no mês de Junho o fator k de 1,22. De acordo à inclinação, teremos uma diferença anual (mês a mês) entre a energia no plano horizontal (Sundada — CRESESB) e a superfície inclinada.
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Enquano emos um ncremeno (posconando e ncnando correamene o pane) nos meses de menor Irradânca, eremos uma dmnução, nos meses de maor rradânca (ex.: veja o faor k para o mês de novembro e mupque peo H desse mês. O Resuado é: 0,88*5 = 4,4 kWh/m².da.) Devemos escoher a ncnação que dê o máxmo ncremeno no meses com pouca irradiação solar, mas que não provoque uma grande dmnução nos meses com mua irradiação solar. K = 1,22 (no mês com menor rradação – Junho).
Com esses vaores eremos como resuado as Horas de So Pco, que são o equvaene em Quowas hora ncdem sobre um mero quadrado de superíce orenada para o equador e ncnada, na regão: HSP = 2,79*1,22 = 3,4 kWh/da (no mês de Junho em São Pauo, em um pane ncnado a 30° e orenado para o Nore geográico)
9.2.4. Calculando o número de Módulos Fotovoltaicos Para consrur o pane foovoaco dese exempo uzaremos os móduos foovoacos STP050D-12/MEA da Sunech. Esses móduos em as segunes caracerscas:
Potênca Pco (Wp): 50w Tensão Nominal de trabalho (Vm): 12 v Tensão em Máxima Potencia (Vmpp): 17,4 V Corrente em Máxma Potênca (Impp): 2,93 A Tensão em Circuito Aberto (Voc): 21,8 V Corrente de Curto Circuito (I sc): 3,13 A
Apcando o méodo de cácuo, poderemos saber quanos móduos, e qua a coniguração serão adequados ao
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pane soar do nosso ssema: Para acançar a ensão de rabaho do nosso ssema, assocaremos móduos em sére. Móduos em sére recebem o nome de Fileiras. Cada iera erá a segune quandade de móduos em sére:
mS =
è
mS =
Cada iera será formada por 2 móduos em sére.
Cacuaremos a quandade de ieras em paraeo para suprr a correne necessára à carga das baeras que provém energa eérca ao nosso ssema:
mP =
è
mP =
è
... porano o pane erá 5 ieras em paraeo.
O número oa de móduos Nm será: Nm = mS*mP
è
2 * 5 = 10
O pane foovoaco será composo por 10 móduos Sunech STP050D-12/MEA, ncnado em 30° e orenado para o Nore geográico, em São Pauo. O pane foovoaco gerará um poenca energéco varáve, de acordo à Irradação Soar ncdene. Em meses de maor rradação, o poenca será maor, as baeras serão carregadas mas rapdamene, e o excedene de energa pode ser perddo, pos o conroador desconecará o pane foovoaco do banco de baeras, após ese ser oamene carregado.
9.2.5. Escolha do Controlador de Carga O conroador de carga é o responsáve por usar essa energa excedene para as arefas de manuenção do banco de baeras como, por exempo, as cargas de equalização. Um conroador de má quadade smpesmene desperdiçará a energa excedene.
O conroador de carga deverá ser dmensonado com um faor de segurança de 25% da correne de curo-crcuo do painel foovoaco. O pane que dmensonamos em a segune correne de curo-crcuo: ISCpainel = mp * ISCmodulo è ISCpainel = 5 * 3,13 = 15,65 A
Consderando o faor de segurança, eremos:
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IE = 15,65 * 1,23 = 19,56 A (IE = correne de enrada) Podemos escoher um conroador de carga de 20 A. No caso de possurmos carga em CC gadas ao conroador, devemos cacuar a correne de sada (IS), evando em consderação as correnes das cargas smuâneas e adconando um faor de segurança, ambém de 25% . No ssema que ensaamos nesse anexo, não eremos cargas em CC, e por sso não eremos o cácuo da correne de sada (IE).
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Bibliografia
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10.
Bbograia
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR-5410: Insaações Eércas de Baxa Tensão. Ro de Janero, 2004. —. NBR-11877: Ssemas Foovoacos. Ro de Janero, 1991. —. NBR-11704: Ssemas Foovoacos – Cassicação. Ro de Janero, 2008. —. NBR-10899: Energa Soar Foovoaca – Termnooga. Ro de Janero, 2006. —. NBR-11876: Móduos Foovoacos – Especicação. Ro de Janero, 2010. —. NBR-14298: Ssemas Foovoacos – Banco de Baeras – Dmensonameno. Ro de Janero, 1999. GREENPRO. Energa Foovoaca- Manua de Tecnoogas, Projeco e Insaação. Ds-ponve em: hp:// greenpro.de/po/foovoaco.pdf. 2004. QUASCHNING, V. Undersandg Renewabe Energy Sysems. London: Earhscan, 2006 CERAGIOLI, Pauo César. Manua de Energa Soar Foovoaca. Dsponve em: hp://rf.com.br/ses/ rf.com.br/ies/docs/SoarMan97.pdf. 1997. TIBA, Chgeru. Aas Soarméco Brasero: Banco de Dados Soarmércos. Recfe: CRESESB, 2000. Dsponve em: hp://b.y/qcrQB8 . Cenro de Pesqusas de Energa Eérca. Cenro de Referênca para Energa Soar e Eóca Sérgo de Savo Bro. Grupo de Trabaho de energa Soar. Manua de Engenhara Para Ssemas Foovoacos. Ro de Janero: CRESESB, 1999. Dsponve em: hp://b.y/rggPRL . RÜTHER, Rcardo e a. Aas Brasero de Energa Soar. São José dos Campos: INPE, 2006. Dsponve em: hp://b.y/pPmCE3. DUFFIE, J. A., and Beckman, W. A. Soar Engneerng Of Therma Process, 2nd Ed., Wey, N.Y, 1991.
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