07 Aula Energia Solar FV

ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
2379EE2
2º semestre de 2016
Prof. Alceu Ferreira Alves
www.feb.unesp.br/dee/docentes/alceu
Dimensionamento – orientações
• http://www.neosolar.com.br/aprenda/calculadora
• http://www.sunlab.com.br/Dimensionamento_solar_fotovoltaic
o.htm
• http://www.atomra.com.br/dimensionamento-projeto-solarfotovoltaico/
• http://www.portalsolar.com.br/calculo-solar
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Dimensionamento – aspectos iniciais
• Demanda a ser atendida
• Disponibilidade de área
• Disponibilidade do recurso solar
• Orientação dos módulos
• Estética da instalação
O dimensionamento de um sistema fotovoltaico (SFV) é o ajuste
entre a energia radiante recebida do Sol pelos módulos
fotovoltaicos e a necessidade de suprir a demanda de energia
elétrica. Trataremos de sistemas de pequeno porte.
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Dimensionamento – SFI
O sistema gerador atende a um determinado
consumo de energia elétrica, e é fundamental
estimar esta demanda energética com precisão
para que o sistema produza a energia necessária.
Dimensionamento – SFCR
O consumo de energia elétrica da instalação é
menos importante, pois pode ser complementado
com energia extraída da rede de distribuição.
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Blocos básicos de um SFV
Sistema isolado para eletrificação individual
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Blocos básicos de um SFV
Sistema isolado para eletrificação com minirrede
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Blocos básicos de um SFV
Sistema isolado para bombeamento de água
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Blocos básicos de um SFV
Microgeração (ou mini) conectada à Rede
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Principais etapas do projeto de um SFV
• Levantamento adequado do recurso solar disponível
• Definição da localização e configuração do sistema
• Levantamento adequado de demanda e consumo de energia
elétrica
• Dimensionamento do gerador fotovoltaico
• Dimensionamento dos equipamentos de condicionamento de
potência (SFCR – inversor, SFI – controlador de carga)
• Dimensionamento do sistema de armazenamento (SFI)
*(somente SFV fixos (sem seguimento solar) e sem concentração
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Avaliação do Recurso Solar
→ Quantificar a radiação solar global incidente sobre o painel FV
• Nem sempre os dados estão disponíveis na forma
necessária
• Muitas vezes é necessário utilizar métodos de tratamento
de dados (adequar unidades)
• Forma mais comum: valores médios mensais para a energia
acumulada ao longo de um dia
• “Ano Meteorológico Padrão ou Típico” (TMY – Typical
Meteorological Year)
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Avaliação do Recurso Solar
• Horas de Sol Pleno (HSP) → Nº de horas em que a irradiância
solar deve ser constante e igual a 1000 W/m2
• Exemplo de cálculo:
Supondo que um determinado local apresente irradiação de 6 kWh/m2
ao longo de 01 dia:
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Horas de Sol Pleno (HSP)
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Avaliação do Recurso Solar
• Em base mensal, a irradiação incidente no plano dos
módulos é convertida para seu valor médio diário em
kWh/m²
• Em seguida, utiliza-se o valor numérico como HSP
• Necessário obter-se a partir da conversão para o plano
inclinado e posterior integração de curvas
• Como converter os dados médios de irradiação no plano
horizontal para planos inclinados ?
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Avaliação do Recurso Solar
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Horas de Sol Pleno (HSP)
Exemplo: Vila de São Tomé, Município de Maracanã, no Estado Pará.
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Localização
•
É determinante para o melhor desempenho do SFV
•
Estudar a integração com elementos arquitetônicos
•
Verificar a presença de elementos de sombreamento ou
superfícies reflexivas próximas
•
Verificar a capacidade de trocar calor com o meio (fácil circulação
de ar) - instalações urbanas (rooftop) limitam a liberdade do
projetista
•
Alguns programas de dimensionamento permitem incorporar um
modelamento 3D dos prédios e objetos vizinhos na simulação
•
Observar ainda: aspectos estéticos, resistência mecânica do
telhado e do prédio, efeito dos ventos
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Levantamento: demanda e consumo
•
SFI → o sistema deve gerar mais energia do que o limite
estabelecido para consumo
•
Definir um período de tempo → a produção de energia neste
período deve ser maior do que a demanda a ser atendida
•
Demanda → somar as energias consumidas por cada equipamento
(planilha – Wh/dia)
•
Esta estimativa pode ser realizada em média semanal
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Levantamento: demanda e consumo
Exemplo:
Obs.: cargas usadas para refrigeração (geladeiras e freezers), consultar os
dados de placa do equipamento, onde geralmente consta seu consumo médio
mensal. A partir dele, estima-se o consumo médio diário.
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Levantamento: demanda e consumo
•
Observar → Cargas CC não necessitam inversor, mas Cargas CA
necessitam inversor
•
Com uso do inversor, sua eficiência deve ser incluída no cálculo do
consumo (é uma carga a mais no sistema)
•
No exemplo: 210 Wh / 90% = 233,33 Wh
•
Observar → Demanda máxima 175W (o inversor deve ser capaz
de atendê-la de forma contínua, além dos picos de partida)
•
A especificação da potência dos equipamentos deve ser obtida
através de dados fornecidos pelo próprio fabricante, ou na
ausência destes, através de tabelas (imprecisas)
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Levantamento: demanda e consumo
•
Algumas cargas não devem ser alimentadas pelo SFI, por sua alta
demanda ou consumo
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Levantamento: demanda e consumo
•
SFI normalmente tem armazenamento (baterias)
•
Atende o consumo nas horas em que não há geração
•
Equilibra o fluxo de energia ao longo do tempo → desacopla os
picos de potência da geração e da demanda
•
Exemplo → sistema gerador com painel de 50 Wp pode abastecer,
por exemplo, uma demanda de 175W, porque o armazenamento
permite acumular a energia ao longo do tempo e entregá-la em um
período menor que o da geração
•
SFV de bombeamento d’água → o armazenamento é realizado na
forma de energia potencial gravitacional (reservatório elevado)
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Levantamento: curva de carga
•
Tabela de Demanda e Consumo → simplifica estimativas
•
Curva de Carga e Sazonalidade → maior precisão, mais trabalho,
menor custo final
O levantamento da curva de carga é muito útil no desenvolvimento de
projetos envolvendo minirredes isoladas e sistemas conectados à rede
elétrica, onde se estabelece a fração da carga a ser atendida pelo SFV
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Levantamento: curva de carga
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Levantamento: demanda e consumo
•
Ainda: Tensão nominal, Eficiência, Característica dinâmica, etc.
Podem completar a especificação da carga
•
Potência Total → deve-se considerar que todos os equipamentos
poderão ser acionados ao mesmo tempo (SF individual)
•
Sistemas tipo minirrede → pode-se considerar um fator de
diversidade de demanda
•
Hipótese mais conservadora: a rede elétrica é uma carga capaz de
consumir toda a energia gerada pelo sistema no momento da
geração
•
Outros parâmetros: qualidade da energia requerida pelo
comprador (conteúdo e distorção harmônica, regulação da
tensão), fator de potência, EMI, etc.
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Método do Mês Crítico (intuitivo)
•
Considera um balanço de energia nas condições médias mais
desfavoráveis (se o sistema funcionar nesse mês, funcionará nos
demais) – carga fixa
•
Este método não otimiza energeticamente a instalação, já que não
faz um seguimento contínuo dos parâmetros envolvidos
•
O método proporciona um excesso de energia nos meses mais
favoráveis → desperdício em SFI
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Dimensionamento do Painel FV
•
Cálculo da energia ativa necessária diariamente (L) :
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Dimensionamento do Painel FV
Observações:
•
A eficiência do inversor depende do seu carregamento em relação
à sua potência nominal (a curva de eficiência do inversor deve
estar disponível)
•
Como referência, o InMetro especifica que entre entre 50% e
100% da potência nominal, a eficiência do inversor deve ser pelo
menos 85%
•
O valor da eficiência global da bateria sugerido é de 86%
Calcula-se, então, o valor médio diário de energia requerido para cada
um dos meses do ano.
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Potência do Painel Fotovoltaico
Obs.: O mês crítico corresponde à potência Pm no caso de uma carga L
fixa (exemplo: sistema SIGFI)
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Número de Módulos em Série
Dimensionamento considerando controlador de carga convencional
(Controlador convencional → sem MPPT)
Vsist é a tensão desejada para o sistema
VmpTmax é a tensão de máxima potência na temperatura máxima prevista
para operação na localidade de instalação
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Número de Módulos em Série
•
Coeficiente 1,2 → o módulo FV tem que carregar uma bateria até
uma tensão 20% acima da nominal e considera, ainda, alguma
perda ôhmica
•
Um módulo de 36 células em climas quentes perde entre 2V e 3V
devido ao aumento da temperatura → Vmp = 17V (STC)
•
O valor obtido para o número de módulos em série deve ser
arredondado para maior, respeitando a tensão máxima de entrada
do controlador de carga
•
Para arredondamento superior a 0,5 recomenda-se que seja
selecionado outro módulo, evitando sobredimensionamento.
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Número de Módulos em Série
•
O módulo a ser escolhido deve ter o número de células adequado à
tensão de operação do sistema (Vsist)
•
Para um sistema de 12 V, utiliza-se um módulo de 36 células (que
são fabricados especificamente para o uso neste tipo de SFI)
•
Para um sistema de 24 V, utilizam-se dois módulos em série de 36
células ou um módulo de 72 células, e assim sucessivamente.
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Corrente do Painel Fotovoltaico
Obs.: o valor obtido para a corrente é o valor mínimo da corrente no ponto
de máxima potência [Imp] que o gerador fotovoltaico deve fornecer.
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Número de Módulos em Paralelo
Imp é a corrente de cada módulo no ponto de máxima potência (STC)
que o gerador fotovoltaico deve fornecer.
•
•
O valor obtido para o número de módulos em paralelo deve ser
arredondado para maior
•
Para arredondamento superior a 0,5 recomenda-se que seja
selecionado outro módulo
•
A escolha do módulo é muito mais condicionada por outros fatores,
como a qualidade e o custo
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