Dimensionamento de um sistema fotovoltaico

Dimensionamento de um sistema
fotovoltaico
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Sistemas fotovoltaicos
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Geralmente são utilizado em zonas afastadas da rede de distribuição
elétrica, podendo
trabalha de forma independente ou combinada com sistemas de produção
elétrica convencional. Suas principais aplicações são:
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Eletrificação rural: luz, TV, rádio, comunicações, bombeamento de água
●
Iluminação exterior
●
Náutica
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Sistemas fotovoltaicos
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Componentes de um sistema típico
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Sistemas fotovoltaicos
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Componentes de um sistema típico
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Painéis ou módulos de células fotovoltaicas
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Suportes para os Painéis
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Controlador de carga de baterias
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Banco de baterias
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Inversor de corrente
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Células fotovoltaicas
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Estrutura de uma célula fotovoltaica
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Células fotovoltaicas
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Existem basicamente três tipos de células, conforme o método de
fabricação:
Silício monocristalino: Estas células obtêm-se a partir de barras cilíndricas de
silício monocristalino produzidas em fornos especiais. As células são obtidas por
corte das barras em forma de pastilhas finas (0,4-0,5 mm de espessura). A
eficiência na conversão de luz solar em eletricidade é superior a 12%.
Silício policristalino: Estas células são produzidas a partir de blocos de silício
obtidos por fusão de silício puro em moldes especiais. Uma vez nos moldes, o silício
arrefece lentamente e solidifica-se. Neste processo, os átomos não se organizam
num único cristal. Forma-se uma estrutura policristalina com superfícies de
separação entre os cristais. Sua eficiência na conversão de luz solar em eletricidade
é ligeiramente menor do que nas de silício monocristalino.
Filme Fino ou Silício amorfo: Estas células são obtidas por meio da deposição de
camadas muito finas de silício ou outros materiais semicondutores sobre superfícies
de vidro ou metal. Sua eficiência na conversão de luz solar em eletricidade varia
entre 5% e 7%.
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Módulo fotovoltaico
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Um módulo fotovoltaico é composto por várias células individuais conectadas
em série, de modo a obter uma tensão que é a soma das tensões de cada
célula (e torno de 0,5 V)
Os módulos comerciais são formados por 30, 32, 33 e 36 células em
série de acordo com a aplicação
Rigidez estrutural, isolamento elétrico e resistência aos fatores
climáticos são parâmetros importantes de projeto dos módulos
O conjunto de células é normalmente encapsulado em um plástico
elástico (Etilvinilacetato-EVA) que também atua como isolante elétrico
A moldura é feita de alumínio ou poliuretano e a face exposta ao sol é
utilizado vidro ou material plástico transparente.
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Módulo fotovoltaico
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Curvas características das células fotovoltaicas
Corrente x tensão
Corrente (A)
ICC
PMP
IMP
Tensão (V)
ICC: corrente de curto-circuito
VMP
VCA: tensão de circuito aberto
PMP: potência de pico
IMP e VMP: corrente e tensão máxima na potência máxima
VCA
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Curvas características das células fotovoltaicas
Efeito da radiação solar
Corrente (A)
A corrente diminui a
medida que diminui o
nível de radiação solar
A tensão
praticamente não
sofre variação
Tensão (V)
A corrente disponível na célula varia de forma proporcional à
intensidade de radiação. A tensão mantém-se praticamente
constante
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Curvas características das células fotovoltaicas
Efeito da temperatura
Corrente (A)
Altas temperaturas
implicam em uma
diminuição da
tensão
Tensão (V)
O aumento da temperatura do módulo fotovoltaico provoca uma
redução da tensão de forma praticamente proporcional, além de
um pequeno aumento da corrente.
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Curvas características das células fotovoltaicas
Potência em função da hora do dia
Potência (W)
A área sob a curva
equivale a energia
gerada pelo painel solar
em um dia em W.h
Hora do dia(h)
A célula não fornece um valor constante de potência pois esta
depende da radiação solar. Em termos de projeto, é necessário
trabalhar com a energia fornecida em um dia (W.h/dia)
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Baterias
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As baterias tem duas funções básicas no sistema de energia
fotovoltaico:
●
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●
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Acumular energia para os períodos de pouca ou nenhuma radiação
solar
Fornecer correntes mais elevadas à carga que a corrente máxima
produzida pelos módulos fotovoltaicos
Cargas como motores podem exigir correntes elevadas em períodos
curtos de tempo, na partida, por exemplo.
Dessa maneira, as células solares e o conjunto de baterias trabalham
em conjunto para fornecer energia à carga de forma mais constante ou
também mais intensa do que a que poderia ser gerada exclusivamente
pelo painel fotovoltaico
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Baterias
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●
●
●
As baterias mais utilizadas em sistemas de energia fotovoltaica são as
de chumbo-ácido
Uma bateria é definida basicamente pela quantidade de energia (em Ah
na tensão nominal) que é capaz de armazenar
Essa energia depende da velocidade de descarga. A capacidade
nominal é expressa para uma descarga de 20 horas
Exemplo
●
Uma bateria de 60 Ah/12 V pode fornecer 60 Ah/12 h = 5,0 A por 12
horas consecutivas com uma tensão de 12 V em seus terminais
Isso equivale a uma potência de 12 V x 5 A = 60 W por 12 horas
Ou seja, essa bateria seria capaz de alimentar uma lâmpada
incandescente de 60 W por 12 horas
●
Se o tempo de descarga for maior a bateria fornecerá mais energia:
–
Uma bateria de 55 Ah com descarga em 20 horas pode atingir,
por exemplo, 80 Ah com descarga em 100 h.
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Baterias
●
●
Outro parâmetro importante de uma bateria é o números de ciclos de
carga/descarga em sua vida útil
Valores típicos são 2.500 ciclos com profundidade de descarga de 20%
e 1200 ciclos de vida com profundidade de 50%
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●
Dimensionamento
Dados necessários para dimensionar o sistema
●
Tensão típica das cargas e seu tipo (AC ou DC)
●
Potência exigida pela carga
●
Perfil da carga / horas de utilização
●
Localização geográfica do sistema
●
Autonomia prevista
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●
Dimensionamento
Esquema para o dimensionamento
Especificação
do painel solar
Levantamento
das cargas CC
X
Perfil
=
Wh/dia
+
Levantamento
das cargas CA
Especificação
do inversor
X
Perfil
=
Wh/dia
Wh/dia
total
X Autonomia
(dias)
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=
Capacidade
das baterias
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●
Dimensionamento
Exemplo de Tabela de consumo
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●
Dimensionamento
Banco de baterias / cálculo pela autonomia
Capacidade bancode bat =
●
Consumototal Ah/dia⋅Autonomia  dias
Profundidade de descarga no final da autonomia
O consumo total diário é de 20 Ah (ver tabela) e
considerando a profundidade de descarga igual a 0,6 e 3
dias de autonomia:
Capacidade bancode bat =
20⋅3
=100 Ah
0,6
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Dimensionamento
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Banco de baterias / cálculo pelo consumo diário
Capacidade bancode bat =
●
Consumototal  Ah/ dia
Profundidade de descarga no final de cada noite
O consumo total diário é de 20 Ah (ver tabela) e
considerando a profundidade de descarga igual a 0,15
Capacidade bancode bat =
●
20
=133,33 Ah
0,15
Escolhe-se portanto 134 Ah, o maior valor encontrado
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Dimensionamento
Gerador fotovoltaico
Consumo total Ah/dia⋅VMPmodulo
Potencia mínima gerador fotov =
horasequivalentes de sol pleno⋅ fator de segurança
●
●
●
VMP é a tensão de máxima potência (tipicamente de 17,4 V em sistemas
com baterias de 12 V)
Considerar o nível médio do mês mais crítico com 3,5 a 4 horas de sol
pleno para o sul do Brasil e entre 4 e 5 para o nordeste
Como fator de segurança o valor típico é de 0,8
Potencia mínima gerador fotov =
●
20⋅17,4
=96,66 W ou aprox.100 W
4,5⋅0,8
Escolhe-se portanto 100 W obtido em 2 módulos de 50 W
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Dimensionamento
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Inversor
Potenciainversor =Potencia das cargasCA20% perdas
●
●
Da tabela, a potência CA é de 50 W
Potenciainversor =5010=60W
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Dimensionamento
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Atividade
Dimensione os elementos de um sistema fotovoltaico para as
seguintes cargas:
- 3 lâmpadas de 9 W, 12 V CC, com 6 horas de utilização
diária cada uma
- 1 TV 120 V, 100 W, com 10 horas de utilização diária
- 1 microcomputador 120 V, 150 W, com 4 horas de utilização
diária
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