Instalação de Sistema de Microgeração Solar Fotovoltaica.

Planejamento do sistema solar Para iniciar um planejamento de sistema solar fotovoltaico devemos ter algumas informações básicas que nortearão o projeto:

• Incidência de irradiação solar na região; • Estudos de sombreamento; • Histórico de consumo de energia (kWh) da instalação; • Informações técnicas de equipamentos e dispositivos de sistema

fotovoltaico; • Norma técnica ou manual técnico da concessionária de energia local.

De posse dessas informações, é possível estabelecer uma pré-avaliação da viabilidade do sistema, considerando como premissas:

• Produção de energia (kWp); • Área e infraestrutura necessária; • Estimativa de custos.

É sempre recomendável que o projeto de um sistema solar fotovoltaico tenha sua concepção em dados confiáveis (como incidência de irradiação) e ferramentas computacionais para simulações (por exemplo, estudo de sombreamento). Os projetos devem atender à Resolução Normativa 687/15 – ANEEL e às normativas e/ou manuais de referência técnica de projeto da concessionária de energia local.

Conceitos básicos de dimensionamento Para um dimensionamento eficiente de um sistema fotovoltaico é imprescindível a realização de pesquisas, estudos e levantamentos sobre tecnologias, equipamentos e dispositivos a serem utilizados com as informações que subsidiarão a formatação do projeto executivo da instalação. Indicar os principais pontos de atenção para o dimensionamento tornará a instalação adequada aos objetivos do projeto. Levantamento de componentes A elaboração do projeto pode levar em conta o histórico de consumo do ponto de ligação com a rede ou ser trabalhado em função da disponibilidade técnica local. Em uma análise prévia, estabelecemos um projeto preliminar visando uma orientação quantitativa sobre a necessidade de equipamentos e componentes a serem empregados nas instalações:

• Módulos fotovoltaicos; • Cabos e conexões; • Inversor de frequência; • Sistemas de proteção; • Equipamento de manobra e controle.

Coleta de dados da área de instalação A coleta de dados no local da instalação após a pré-análise é fundamental para identificar a geometria da área onde se pretende executar o trabalho. Informações como orientação geografia e inclinação do plano para acomodação dos módulos fotovoltaicos estruturam toda a base conceitual do projeto executivo. Para ser assertivo sobre essas informações, é recomendável fazer uso de recursos auxiliares (equipamentos específicos) ou ainda aplicativos confiáveis que permitam a realização de um estudo/medição adequada. Entre as informações importantes do local, destacamos a orientação geográfica pela bússola e a inclinação do plano de instalação dos módulos fotovoltaicos por meio de inclinômetro.

Figura 2 – Componentes de medição: (a) inclinômetro e (b) bússola.

Visando coletar as informações no local da instalação de forma organizada e completa, uma ficha de inspeção poderá auxiliar no registro dessas informações.

Levantamento do consumo diário da instalação Para efetuar esse levantamento, deve-se ter acesso a uma fatura de energia e identificar o histórico de consumo de energia elétrica em kWh.

Figura 4 – Histórico de consumo de energia.

A Figura 4 contém informação de consumo da fatura de energia. Com esses valores, calcula-se a média de consumo de um mês durante as 13 medições efetuadas no histórico.

Onde: EMM = Energia média mensal. A partir do valor médio mensal de energia, é possível determinar a quantidade de energia que os módulos deverão produzir para que tenhamos efetuado uma compensação total de energia durante um ano. No exemplo da Figura 4 do histórico de consumo, encontramos o valor médio de 321 KWh/mês consumido. A partir desse consumo médio mensal, pode-se descobrir o valor de energia que os módulos fotovoltaicos devem produzir durante um único dia.

Onde: EMD = Energia média diária. Dessa forma, verificamos que os módulos solares fotovoltaicos devem produzir em

um dia uma quantidade de 10,7 KWh/dia, porém, esse valor é quebrado. Então, arredonda-se o valor para cima para demonstrar que deve-se produzir durante o dia uma energia equivalente a 11 KWh/dia. Durante um dia convencional de verão, teríamos um total de 12 horas de sol, porém, a quantidade de energia solar que deve incidir nos módulos para produzirem energia equivalente à potência em laboratório teria que ser igual ou superior a 1.000 W/m2 de irradiação. Esse valor de irradiação pode ser alcançado aqui no Brasil durante o período de sol a pino, que varia entre as 10 horas até aproximadamente às 15 horas. Esses valores podem ser alterados de região para região e dependem também da inclinação do módulo. Frequentemente, o nome dessa quantidade de horas em que o módulo irá produzir a quantidade máxima de energia é citado em manuais como Horas de Sol a Pico (HSP). Essas informações podem ser encontradas em dois bancos de dados disponíveis na internet: o Cresesb e o SWERA. Os dois bancos de dados disponibilizam a quantidade de HSP de cada região. Para o nosso exemplo, vamos usar o Cresesb. Para determinação das HSP, verifica-se a localidade (cidade) da instalação, dado a ser consultado na fatura de energia. A partir da localização da futura instalação, é possível definir a orientação geográfica do local (latitude e longitude), podendo ser utilizado para esse estudo ferramentas e/ou aplicativos confiáveis. Exemplificando a cidade de São Paulo, os registros de orientação geográfica indicam: latitude 23.682º Norte e longitude 46.875º Oeste. Com esses valores, e consultando o site do Cresesb, preenche-se as informações nas respectivas lacunas:

Figura 5 – Banco de dados de irradiação solar fotovoltaica.

Acionando o comando “Buscar”, o sistema é direcionado a uma página com as regiões mais próximas das coordenadas que informamos.

Tabela 1 – Dados de HSP para a cidade de São Paulo

Com essas informações identificamos na tabela que a inclinação adequada de um módulo fotovoltaico será de 21°, pois nessa inclinação teremos a maior média anual de horas de sol a pico. Usando esse novo dado, é possível calcular a potência total do sistema e determinar a quantidade de módulos fotovoltaicos no sistema solar.

Onde: Ppico = potência pico do sistema fotovoltaico. Após determinar a divisão da quantidade de energia média diária produzida pela quantidade de horas de sol a pico, encontramos o valor de 2,65 KW/pico, que arredondamos para 3 KWp. Dessa forma, conclui-se a determinação do sistema fotovoltaico. É bom ressaltar que, dependendo da inclinação desse módulo e da direção do módulo, devemos alterar a quantidade de horas de sol a pico excedente dos módulos. Essa orientação já foi discutida no capítulo anterior. Cálculo da quantidade de módulos Para determinar a quantidade de módulos fotovoltaicos é importante consultar os capítulos anteriores e verificar como efetuar a correção da potência de um módulo a partir da temperatura ambiente. Com base na correção efetuada anteriormente, usa-se o módulo já corrigido, que para uma temperatura ambiente de 25°C apresenta uma potência equivalente a 261 W. Sabemos que precisamos fornecer a quantidade de 3 KW. Utilizando módulos de 261 W, basta efetuar a divisão da potência do sistema pela potência do módulo usado.

Onde: NM = Número de módulos. PM = Potência de módulo corrigida pela temperatura. Dimensionamento do inversor Os inversores para conexão em sistemas fotovoltaicos convertem a energia produzida em DC (corrente contínua) para energia AC (corrente alternada). Há uma diferença fundamental entre os inversores de sistemas autônomos (off-grid) e inversores de sistemas conectados à rede (on-grid), em função da grandeza inserida nos sistemas:

• Inversores em sistemas off-grid: fornecem tensão elétrica em seus terminais de saída, em regime alternado, senoidal e pura.

• Inversores em sistemas on-grid: fornecem tensão elétrica em seus terminais de saída, em regime alternado, senoidal e pura, e somente operam nas circunstâncias em que estão conectados à rede elétrica. Na ausência de energia da concessionária, desconectam-se automaticamente devido à

segurança operacional do sistema. Para a determinação do inversor, utiliza-se como base a potência pico do sistema que, nesse caso, deve ser de 3 KWp, especificando os inversores que iniciam seu range a partir dessa potência. Com base nesse valor, e utilizando manuais do fabricante, é possível eleger um inversor com potência (por exemplo, 3KW pico), aos valores que o sistema exige, e que será entregue em seus terminais de energia.

Tabela 2 – Dados técnicos Fronius Galvo

Como exemplo, na linha de inversores Galvo, da Fronius, identifica-se que o inversor de 3 KWp pode operar com sobrepotência acima da nominal. Isso é possível em função do método de conversão de energia do inversor. Nesse exemplo, é apresentada uma eficiência de 95%. Portanto, opera-se um inversor em regime contínuo com 5% de sobrecarga, isto é, potência de 3,15. É importante atentar-se a outras características técnicas importantes para determinar a especificação do inversor:

• Tensão de startup: valor usado para determinar a quantidade mínima de módulos em uma série.

• Tensão máxima em MPPT: valor usado para determinar a quantidade máxima de módulos em uma série.

• Corrente máxima de operação: valor usado para determinar a quantidade máxima de módulos em paralelo.

• Corrente máxima em curto-circuito: valor que determina se a ligação de módulos em paralelo está segura.

Exemplo Um inversor tem potência nominal de 3 KWp, com tensão de operação de 185 volts para startup. Caso o módulo tenha uma tensão de VMP igual a 31,7 volts, então, para determinar o número mínimo de módulos em série, fazemos a razão entre a tensão nominal e a tensão máxima de pico de cada módulo:

Portanto, podem ser colocados seis módulos em série. Para determinar o valor máximo de módulos em série, usamos como valor base a

tensão máxima suportada na entrada do inversor, quando ele estiver trabalhando em MPPT, que, nesse caso, seria de 440 volts. Para que o inversor opere continuamente em potência máxima, calculamos a razão da tensão máxima em MPPT pela tensão Vmp dos módulos, o que determina o número máximo de módulos.

Ainda que conectando treze módulos em série, não se atingiu o valor de potência calculado, então é indicado ligar os módulos em paralelo, usando como base o inversor de 3 Kwp. Para determinar o número máximo de strings em paralelo, consideramos a capacidade máxima de corrente do inversor (20 A), comparado ao consumo do módulo (corrente Imp = 9,15 A). Portanto, a razão entre a capacidade máxima do inversor e o consumo de corrente dos módulos ligados em série estabelece o limite máximo de conexão paralela entre os módulos.

Concluindo, pode-se elaborar um arranjo entre os módulos para serem conectados ao inversor, com a seguinte configuração:

• Quantidade máxima de módulos: 26 • Arranjo em série: 13 módulos • Arranjo em paralelo: 2 strings.

Dimensionamento das proteções Visando estabelecer a segurança operacional do sistema e eventuais perturbações, os sistemas de proteção são instalados com o objetivo principal de limitar a extensão dos danos, principalmente em condições de curto-circuito. Para o adequado dimensionamento das proteções, duas características operativas do sistema devem ser levadas nas considerações iniciais:

• Tensão elétrica de operação do sistema; • Corrente elétrica do sistema.

A tensão elétrica do sistema solar fotovoltaico deve ser inferior às tensões de isolamento dos cabos, tensão de trabalho dos DPS e disjuntores de corrente contínua. Para limitação das correntes elétricas no sistema, são apropriados dispositivos contra sobrecorrentes (fusíveis e disjuntores), que devem ser ajustados em função da cadeia de componentes (inversor, cabos etc.). Esses dispositivos de proteção contra sobrecorrentes possuem a característica de tempo inverso, ou seja, quanto maior for a sobrecorrente passante, menor será o tempo de operação/atuação do dispositivo de proteção. A sobrecorrente é a alta magnitude da corrente, devido à sobrecarga ou curto-circuito.

Figura 6 – Curva de disjuntor termomagnético.

Ao se considerar um inversor de potência nominal de 3 kWp, com corrente nominal máxima de 20 A. Os disjuntores são dimensionados para suportar em média até 20% de sobrecorrente do equipamento protegido (inversor):

Os fusíveis são dimensionados para operar com 90% da corrente nominal do equipamento protegido (inversor):

A topologia do sistema de proteção define que o fusível tem a função principal sobre o sistema solar fotovoltaico e o disjuntor, o desligamento do circuito, atuando como componente de retaguarda. Outras topologias definem o disjuntor como elemento principal de proteção e fusíveis como elementos de retaguarda. Dimensionamento da seção dos cabos Conforme recomenda a Norma Regulamentadora Brasileira ABNT NBR 5410/2004: Instalações Elétricas de Baixa Tensão, a equação abaixo determina a bitola mínima (secção transversal) do condutor, visando à operação contínua do sistema para suportar as condições termodinâmicas. Os materiais mais utilizados na confecção de cabos de condução de energia elétrica são cobre e alumínio.

Onde: A = Área da seção transversal do cabo em mm2

.

l = Comprimento do cabo em metros. I = Corrente que irá circular dentro do condutor em amper.

σ = Condutância do material do cabo, sendo para cobre e

para alumínio. P = Potência pico que irá passar pelo cabo. Em instalações de sistemas fotovoltaicos, normalmente são utilizados condutores de cobre, em que a 20ºC apresentam tipicamente uma resistividade ρcu = 0,01724Ω.mm2/m e coeficiente de variação com a temperatura de αcu = 0,0039/ºC. Os parâmetros reais a serem aplicados para os cabeamentos utilizados devem ser obtidos por consulta a datasheet (folha de dados) dos respectivos fabricantes.