INTRODUÇÃO A SISTEMAS DE ENERGIA SOAR …... 3 1. Introdução 11 1.1. Arquitetura Bioclimáica 11 1.2. Energia solar Fototérmica 11 1.3. Energia Solar Fotovoltaica 12 2. Sistemas

INTRODUÇÃO A SISTEMAS DE ENERGIA SOAR FOTOVOAICA

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1. Introdução 11

1.1. Arquitetura Bioclimáica 11

1.2. Energia solar Fototérmica 11

1.3. Energia Solar Fotovoltaica 12

2. Sistemas fotovoltaicos 14

2.1. Classiicação dos sistemas fotovoltaicos 14

2.1.1. Sistemas Isolados 14

2.1.1.1. Sistemas Híbridos 15

2.1.1.2. Sistemas Autônomos (Puros) 15

2.1.1.3. Sistemas Autônomos Sem Armazenamento 15

2.1.2. Componentes de Um Sistema Fotovoltaico Autônomo 16

2.1.3. Sistemas Conectados à Rede (On-Grid) 17

2.1.3.1. Beneícios ao usuário 17

2.1.3.2. Componentes de Um Sistema Fotovoltaico Conectado À Rede (On-Grid) 18

3. Radiação Solar e Efeito Fotovoltaico 20

3.1. Geometria Solar 21

3.2. Radiação Solar ao Nível do Solo 22

3.3. Medindo o Potencial Solar 24

3.3.1. Horas de Sol Pico 25

Sumário

www.blue-sol.com4 www.blue-sol.com4

3.4. Efeito Fotovoltaico 26

3.4.1. Princípios de funcionamento 26

4. Células Fotovoltaicas 32

4.1. Tipos de Células fotovoltaicas 32

4.1.1. Silício Cristalizado 32

4.1.1.1. Silício Monocristalino 33

4.1.1.2. Silício Policristalino 33

4.1.2. Células de Película Fina 34

4.1.2.1. Silício Amorfo (a-Si) 35

4.1.2.2. Disseleneto de Cobre e Índio (CIS) 36

4.1.2.3. Telureto de Cádmio (CdTe) 37

4.1.3. Tabela de Eiciências 39

5. Módulos Fotovoltaicos 40

5.1. Caracterísicas dos Módulos Fotovoltaicos 43

5.1.1. Caracterísicas Físicas e Mecânicas 43

5.1.2. Caracterísicas Elétricas 45

5.2. Condições de Teste e Operação 46

5.3. Associação de Módulos Fotovoltaicos 49

5.4. Sombreamento, Pontos Quentes e Diodos de Proteção 50

5.4.1. Diodos de By-Pass 51

5.4.2. Diodos de Bloqueio 54

www.blue-sol.com 5

6. Painel e Arranjo Fotovoltaico 55

6.1. Estruturas de Suporte e Ancoragem 55

6.1.1. Suportes para telhado 55

6.1.2. Suportes Para Instalação Em Plano Horizontal 57

6.1.2.1. Orientação do Painel Fotovoltaico 58

6.1.2.2. Inclinação do Painel Fotovoltaico 59

6.1.3. Suporte em Forma de Mastro 59

6.2. Cálculos de Sombreamento 60

7. Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede 64

7.1. Inversores On-Grid 64

7.1.1. Classiicação e Tipos de Inversores Grid-Tie 65

7.1.1.1. Inversores Controlados/Chaveados pela Rede 65

7.1.1.2. Inversores Autorregulados (Auto Chaveados) 66

7.1.1.2.1. Inversores Auto-Chaveados com Transformador de Baixa Frequência (LF) 67

7.1.1.2.2. Inversores com Tranformadores de Alta Frequencia (HF) 68

7.1.1.2.3. Inversores sem Transformadores 68

7.1.1.3. Caracterísicas e Propriedades dos Inversores Grid-Tie 68

7.1.1.4. Eiciência de Conversão (Conversion Eiciency) – ηCON 69

7.1.1.5. Eiciência de Rastreamento (Tracking Eiciency) – ηTR 69

7.1.1.6. Eiciência Estáica (Staic Eiciency) – ηINV 69

7.1.1.7. Eiciência Européia (Euro Eiciency) – ηEURO 70


7.1.1.8. Comportamento em Sobrecarga 71

7.1.1.9. Registro de Dados Operacionais 71

7.1.1.10. Outras Caracterísicas dos Inversores Grid-Tie 72

7.2. Painel Fotovoltaico Para Sistemas On-Grid 74

7.2.1. Caixas de Junção 74

7.2.2. Conigurações e Conceitos 75

7.2.2.1. Sistemas com Inversor Central 75

7.2.2.1.1. Sistema com baixa tensão de entrada (<120 VCC) 75

7.2.2.1.2. Sistemas com Alta Tensão de Entrada (>120 VCC) 76

7.2.2.1.3. Sistema Mestre-Escravo (Master-Slave) 77

7.2.2.2. Sistemas de Grupos de Módulos 77

7.2.2.3. Sistemas com Módulos CA 78

8. Sistemas Fotovoltaicos Autônomos 81

8.1. Painel Fotovoltaico 81

8.2. Banco de baterias 81

8.2.1. Funções do banco de baterias 82

8.2.2. Baterias para Sistemas Fotovoltaicos 82

8.2.2.1. Consituição e funcionamento de uma Bateria de Chumbo Ácido 82

8.2.2.2. Tipos de Baterias de Chumbo-Ácido 85

8.2.3. Desempenho e Caracterísicas das Baterias de Chumbo-Ácido 87

8.2.4. Efeitos do Envelhecimento nas Baterias 89

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8.2.5. Cuidados com Baterias Estacionárias: 89

8.3. Controlador/Regulador de Cargas 90

8.3.1. Formas de Controle de Carga 92

8.3.1.1. Controladores Série 92

8.3.1.2. Controladores Shunt 92

8.3.1.3. Controladores com MPPT 92

8.3.2. Critérios de Seleção de um Controlador 93

8.4. Inversores Autônomos 93

8.4.1. Caracterísicas dos inversores Autônomos 94

8.4.2. Critérios de Seleção de Inversor Autônomo 95

9. Dimensionando Sistemas Fotovoltaicos Autônomos 98

9.1. Banco de baterias 101

9.2. Painel Fotovoltaico 105

9.2.1. Inluência do Controlador de Carga 105

9.2.2. Inluência da Disponibilidade Solar no Local 105

9.2.3. Inluência da Inclinação do Painel Fotovoltaico 107

9.2.4. Calculando o número de Módulos Fotovoltaicos 108

9.2.5. Escolha do Controlador de Carga 109

10. Bibliograia 113

Prefácio


Prefácio

EstaaposilafoicriadaparadarsuporteatodososinteressadosemconheceratecnologiaportrásdaEnergiaSolarFotovoltaica.Apresentaumaintroduçãoàstecnologiasdegeraçãodeeletricidadeporfontefotovoltaica,seususoseaplicaçõesnoBrasil.

Os capítulos 1e2explicamoque sãoos sistemas fotovoltaicos, sua classiicaçãoeuilização.Ocapítulo3falasobreaEnergiaSolar,opotencialbrasileiroesobreoefeitofotovoltaico.Oscapítulos4e5detalhamastecnologiasdascélulasfotovoltaicasuilizadasparaafabricaçãodosmódulos.Ocapítulo6abordaaspectosdaconcepçãodospainéisfotovoltaicos,falandosobreorientação,inclinaçãoeestudodepossíveiscausadoresdesombras.Ocapítulo7faladesistemasfotovoltaicosconectadosàredeeporim,ocapítulo8abordaossistemasfotovoltaicosautônomos.

Esperamos que com esta aposila o leitor possa icar completamente familiarizado com osequipamentoseconceitosempregadosnestatecnologia.Tentamosapresentaroconteúdodeformaqueelesejaúiltantoparapessoascomconhecimentostécnicosprévios,quantopara leigosemeletricidadeeengenharia.Obviamente,é inevitávelquealgunstermostécnicosapareçam,masnadatãocomplexoapontodeprejudicarocompreendimentodotodo.

Convidamos você, leitor, a frequentar e paricipar de nossos grupos de discussões em nossasredes sociais, onde incenivamos a formaçãodeuma comunidade virtual sobreo tema como formadeenriquecimentodoaprendizado.

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Autor

RonilsondiSouza([email protected])

Edição e diagramação

LuizRafaelPassari([email protected])

TodososdireitosreservadosaBlueSolEnergiaSolar

Av.AntônioDiederichsen400-Sala808

JardimAmérica/RibeirãoPreto-SP

CEP:14020-250

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Introdução


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1. Introdução

Odesenvolvimentodasociedadehumanaestáatreladoàtransformaçãodomeioambienteeobtençãodeenergia.Duranteodesenvolvimentodanossasociedadeicouevidenteacarênciadeenergiaemtodospossíveislocaisdaconvivênciahumana,enasúlimasdécadastemosvistooapelodeváriasvozesquenosmostramoiminentedoimdoscombusíveisfósseis,oimensoimpactoambientalcausadoporessasfontesdeenergiaeainsustentabilidadedomodocomoobtemosaenergiaquenosmove.

Enquantoisso,emmuitasfrentes,temosodesenvolvimentodenovasformasdegeraçãodeenergiaerecentementeivemosoreconhecimentodasfontesrenováveis,nãomaiscomofontesdeenergiaalternaiva,mascomofontesdeenergiaprimárias,cujasprincipaisrepresentantessão:

• EnergiaHidrelétrica;

• Biomassa

• EnergiaEólica

• EnergiaSolar

Todasasformasdeenergiaqueconhecemosderivamdaenergiasolar.Éaenergiadosolquealterao estado ísico da água, fazendo com que essa migre e possa ser represada e aproveitada nas usinashidrelétricas.Oaquecimentodasmassasdearprovocaosventos,quesãoaproveitadosnosaerogeradoresdosparqueseólicosÉaenergiasolar,absorvidanafotossíntese,quedávidaàsplantasuilizadascomofontedeenergiadebiomassa.Atémesmoopetróleo,quevemderestosdevegetaçãoeanimaispré-históricos,tambéméderivadodosol,poisestedeuaenergianecessáriaaoaparecimentodavidanaterraemeraspassadas.Podemos,atravésdessepontodevista,considerarquetodasasformasdeenergiasãorenováveis,infelizmentenãoemescalahumana.Asformasdeenergiarenovávelcitadasacimasãoasqueserenovamacadadia,permiindoumdesenvolvimentosustentáveldavidaesociedadehumana.

AenergiasolarquechegaàTerraeumanoémuitomaiorqueoconsumohumanodeenergianomesmoperíodo.Infelizmentetodoessepotencialnãoéaproveitado.Oaproveitamentoariicialdaenergiasolarpodeserfeitodetrêsmodos:

• ArquiteturaBioclimáica

• EfeitoFototérmico

• EfeitoFotovoltaico

1.1. Arquitetura Bioclimáica

Aarquiteturabioclimáicaconsisteemformasdeaproveitamentodaluznaturaldosol,docalor-ouevitando-o-atravésdeformasdeintegraçãoarquitetônicaàscondiçõeslocais.

Paraaproveitarcorretamenteascondiçõesnaturais,aediicaçãodeveserplanejadacuidadosamente,o que pode signiicar umalto rendimento no aproveitamento da energia natural do sol, economizandooutrasformasdeenergiamaissoisicadas.Temoscomoexemplo,ossistemasqueaproveitammelhoraluznaturalduranteodia,economizandoeletricidade.

1.2. Energia Solar Térmica

O efeito fototérmico consistenacaptaçãoda IrradiaçãoSolareconversãodiretaemcalor.ÉoqueocorrecomosSistemas de Aquecimento Solar queuilizamosColetores Solarescomodisposiivodecaptaçãoenergéica.

Os Sistemas de Aquecimento SolarestãodifundidosnoBrasil,principalmentedevidoàsuatecnologiamaissimpleseaosbonspreços.Sãoóimoscomplementosaossistemasfotovoltaicos,poisfornecemdemaneiraeicazebarata,aenergianecessáriaaoaquecimentodaáguaparausosanitário,aquecimentodepiscinaseclimaizaçãoambiente.

boiler

caixa d’água

coletor solar

água fria

água quente


Figura 1 - Sistema de aquecimento solar

1.3. Energia Solar Fotovoltaica

Oefeitofotovoltaico,observadoporEdmondBequerelem1839,consistenoaparecimentodeumadiferençadepotencialnosextremosdeumsemicondutor,quandoesseabsorvealuzvisível.Éoobjetodeestudodestelivretoeaformadecaptaçãodeenergiasolarmaispromissora.

Sãoincontestáveisasvantagensdaenergiasolarfotovoltaica:

• Amatéria primaéinesgotável

• Nãoháemissãodepoluentesdurantea geraçãodaeletricidade

• Ossistemaspodemserinstaladosemtodooglobo

Infelizmenteaenergiasolarfotovoltaicatemsuasdeiciências:

• Adensidade(oluxodepotencialquechegaàsuperícieterrestre)épequeno(<1kW/m²),secomparadoàsfontesfósseis.

• Aenergiasolardisponívelemumalocalidadevariasazonalmente,alémdeserafetadapelascondiçõesclimatológicas.

• Osequipamentosdecaptaçãoeconversãorequereminvesimentosinanceirosiniciaismaiselevadosqueossistemasconvencionais.

O baixo luxo de potencial solar requer grande área captadora, para obter maiores potências. AvariabilidadedaIrradiação Solarimplicanousodesistemasdearmazenamento,quesão,emgeral,poucoeicientes.Jáoaltoinvesimentoinicial,levaaconsideraraviabilidadeeconômicadeumprojeto,tendoemcontasuavidaúiletodasasvantagensdauilizaçãodessaformadeenergia.

Naspáginasseguintesconheceremosumpoucomaissobreacaptaçãodaenergiasolareconversãoemenergiaelétricaúil;osdisposiivosuilizados,ealgunsdetalhesquepermiiramumbomcomeçodeestudosnessainteressanteárea.

Oestudosériodaenergiasolarfotovoltaicasedesenvolveemváriosramosdaciênciacomo:ísica,química,matemáica,astronomia,etc.Éummundodeconhecimento,noqualpenetramosaparirdeagora.

Sistemas Fotovoltaicos

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2. Sistemas fotovoltaicos

Umsistemafotovoltaicoéumafontedepotênciaelétrica,naqualascélulas fotovoltaicastransformamaRadiaçãoSolardiretamenteemenergiaelétrica.

Ossistemasfotovoltaicospodemserimplantadosemqualquerlocalidadequetenharadiaçãosolarsuiciente. Sistemas fotovoltaicos não uilizam combusíveis, não possuem partes móveis, e por seremdisposiivosdeestadosólido,requeremmenormanutenção.Duranteoseufuncionamentonãoproduzemruídoacúsicooueletromagnéico,etampoucoemitemgasestóxicosououtroipodepoluiçãoambiental.

Aconiabilidadedossistemasfotovoltaicosétãoalta,quesãouilizadosemlocais inóspitoscomo:espaço,desertos,selvas,regiõesremotas,etc.

2.1. Classiicação dos sistemas fotovoltaicos

Ossistemasfotovoltaicossãoclassiicadosdeacordoàformacomoéfeitaageraçãoouentregadaenergiaelétricaem:

• SistemasIsolados

• Sistemasconectadosàrede(On-Grid)

Sistemas

Fotovoltaicos

Energia Solar

Sistemas Isolados

Sem a rede

Sistemas Conectados

à Rede

Injetam Energia

Conectado Direta-

mente à Rede Pública

Fazendas Solares

Conectado Via Rede

Domésica

Residenciais

Autônomos

Energia Solar

Sistemas Híbridos

Co-geração

Sem Armazenamento

Bombas

PV + Aerogerador

Solar + Eólica

PV + Gerador Diesel

Menos Baterias

Appliances

Iluminação

Pequenas Aplicações

Medições

Sistemas Autônomos

CA

Domésicos

Sistemas Autônomos

CC

Telecom

Figura 2 - Tipos de Sistemas Fotovoltaicos

2.1.1. Sistemas Isolados

Um Sistema Fotovoltaico Isolado é aquele que não tem contato com a rede de distribuição de

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eletricidadedasconcessionárias.OssistemasisoladospodemserclassiicadosemHíbridosouAutônomos(Puros).Ossistemasautônomospodemsercom,ousemarmazenamentoelétrico.

2.1.1.1. Sistemas Híbridos

Figura 3 - Sistema híbrido eólico fotovoltaico

Umsistema fotovoltaicohíbrido trabalhaemconjuntocomoutrosistemadegeraçãoelétrica,quepodeserumaerogerador (nocasodeumsistemahíbridosolar-eólico),ummoto-geradoracombusívellíquido(ex.:diesel),ouqualqueroutrosistemadegeraçãoelétrica.

Um sistema híbrido pode ou não possuir sistema de armazenamento de energia.Quando possui,geralmenteosistemadearmazenamentotemautonomiamenorouigualaumdia.

2.1.1.2. Sistemas Autônomos (Puros)

Um sistema fotovoltaico puro é aquele que não possui outra forma de geração de eletricidade.Devidoaofatodeosistemasógerareletricidadenashorasdesol,ossistemasautônomossãodotadosdeacumuladoresquearmazenamaenergiaparaosperíodossemsol,oqueacontecetodasasnoites,etambémnosperíodoschuvososounublados.Osacumuladoressãodimensionadosdeacordoàautonomiaqueosistemadeveter,eessavariadeacordoàscondiçõesclimatológicasdalocalidadeondeseráimplantadoosistemafotovoltaico.

2.1.1.3. Sistemas Autônomos Sem Armazenamento

Sãosistemasquefuncionamsomenteduranteashorasdesol.Temoscomoexemploossistemasdebombeamentodeágua.AscaracterísicasdasbombassãocalculadaslevandoemconsideraçãoanecessidadeáguaeopotencialSolardalocalidade.Opainelfotovoltaicoédimensionadoparafornecerpotencialparaabomba.Apesarde,geralmente,nãouilizaremsistemasdearmazenamentoelétrico,oarmazenamentoenergéicoéfeitonaformadeáguanoreservatório.


Figura 4 - Sistema de bombeamento fotovoltaico

2.1.2. Componentes de Um Sistema Fotovoltaico Autônomo

Umsistemafotovoltaicoresidencialautônomo,geralmente,possuiosseguintescomponentes:

1

2

3

4

5

Figura 5-Componentes de um sistema fotovoltaico autônomo

1–Painelfotovoltaico;2–ControladordeCarga/Descargadasbaterias;3–Bancodebaterias;4–Inversorautônomo,paracargasemCA;5–CargasCCouCA;Noscapítulosseguintesserãoexplicadososdetalhessobrecadaumdoscomponentesdeumsistema

fotovoltaicoautônomo.

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2.1.3. Sistemas Conectados à Rede (On-Grid)

Ossistemasfotovoltaicosconectadosàredefornecemenergiaparaasredesdedistribuição.Todoopotencialgeradoérapidamenteescoadoparaarede,queagecomoumacarga,absorvendoaenergia.

Ossistemasconectadosàrede,tambémchamadosdeon-grid,geralmentenãouilizamsistemasdearmazenamentodeenergia,eporissosãomaiseicientesqueossistemasautônomos,alémde,geralmente,seremmaisbaratos.

Os sistemas On-Grid dependem de regulamentação e legislação favorável, pois usam a rede dedistribuiçãodasconcessionáriasparaoescoamentodaenergiagerada.

4 6

2

3 5

1

Figura 6 - Sistema conectado à rede

1–MódulosFotovoltaicos2–InversorGrid-Tie–Transformaacorrenteconínuadopainelemcorrentealternadade127V/220

Ve60Hz,compaívelcomaeletricidadedarede.3–InterruptordeSegurança.4–QuadrodeLuz-distribuienergiaparacasa.5–Aeletricidadealimentaosutensílioseeletrodomésicos6–Oexcedentevoltaparaaredeelétricaatravésdomedidorfazendo-orodar ao contrario,reduzindo

atarifadeenergiaelétrica.

2.1.3.1. Componentes de Um Sistema Fotovoltaico Conectado À Rede (On-Grid)

Umsistemafotovoltaicoconectadoàrede,geralmente,possuiosseguintescomponentes:


1

32

4

5

Figura 7 - Componentes de um sistema fotovoltaico on-grid

1–Painelfotovoltaico;2–CaixadeJunçãodopainelfotovoltaico;3–Cabeamento;4–InversorGrid-Tie;5–Medidor(es)deenergia;Noscapítulosseguintesserãodetalhadososprincipaisequipamentosdeumainstalaçãofotovoltaica

conectadaàrede.

Radiação Solar e

Efeito Fotovoltaico



3. Radiação Solar e Efeito Fotovoltaico

AEnergiairradiadapelosolemumsegundoémuitomaiorqueaenergiaconsumidapelahumanidadedesdeoseuaparecimentonafacedaTerra,atéosdiasdehoje.Todaessaenergia,claro,nãochegaatéaTerra.

Figura 8 - Comparaivo entre a energia solar e outras formas de energia

A energia solar é produzida pelas reações nucleares que acontecem no interior do sol a grandesprofundidades.Emumadessasreaçõesosátomosdehidrogêniosecombinamformandoátomosdehélio,eliberamenergia.Estaenergiaviajadointeriordosolatéasuasuperície(chamadadefotosfera),edaíseirradiaemtodasasdireções.

EssaenergiairradiadachegaàTerravindadoespaçoatravésdasparículasdeenergiachamadasdefótons.Osfótonssedeslocamaumavelocidadede300.000km/s,porissodemoramcercade8minutosparachegaràTerra,queestáaaproximadamente150milhõesdequilômetrosdosol.

Aradiaçãosolaréradiaçãoeletromagnéicaquetemdistribuiçãoespectralconformeaiguraabaixo:

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Figura 9 - Espectro da radiação eletromagnéica do sol

3.1. Geometria Solar

Sabemosqueosolnascenolesteesepõenooeste,elevandonocéu.Essaelevaçãoémaioroumenordeacordoàépocadoano.

AterrasemoveemumaórbitaelípicaemtornodosoleoeixoderotaçãodaTerraformaumângulode23,5°comanormalaoplanodaelipsedaórbitadaTerra.Esseânguloéoresponsávelpeladuraçãododiaedanoitenasdisintasestaçõesdoano,etambéméoresponsávelpelavariaçãodaelevaçãodosolnohorizonteàmesmahora,aolongodoano.

Aposiçãoangulardosolaomeiodiasolar,emrelaçãoaoequadoréchamadadeDeclinação Solar (δ).Adeclinaçãovariadeacordocomodiadoano,comvaloresentre:-23,45°≤δ≤23,45°,sendoposiivoaoNorteenegaivoaoSul:

Figura 10 - Delinação solar e as estações do ano

Aobservaçãodalaitudedalocalidadeedadeclinaçãodeterminaatrajetóriadosolnocéu,paraumdiadeterminado.

Aseguir,detalhamosas relaçõesgeométricasentrea superície terrestreseos raios solares.Estesângulosvariamdeacordoaomovimentoaparentedosolnaabóbadaceleste:


Figura 11 - Relações geométrica sol-Terra-painel solar

• Ângulo de Incidência(γ):éformadoentreosraiossolareseanormalàsuperíciedecaptação.Quantomenoresseângulo,maisenergiaserácaptada.

• Ângulo Azimutal De Superície (aw):Entreaprojeçãodanormalàsuperíciedopainelsolar

eadireçãonorte-sul.Paraohemisfériosuloazimuteéonortee,portanto,odeslocamentoangularseráàparirdestepontocardeal,sendoposiivoemsenidohorário(leste)enegaivonosenidoani-horário(oeste).OânguloAzimutaldesuperícieestaráentre:-180° ≤ a

w ≤ 180°.

Internacionalmente convenciona-se o azimute0° como sendoo Sul, e oNorte temânguloazimutalde180°.

• Ângulo Azimutal do Sol (as):éoânguloentreaprojeçãodosraiossolaresnoplanohorizontal

eadireçãoNorte-Sul.TemasmesmasconvençõesqueoÂnguloAzimutaldeSuperície.

• Altura Solar (α):ânguloentreosraiossolaresesuaprojeçãosobreumplanohorizontal.

• Inclinação (β):ânguloentreopainelsolareoplanohorizontal.

• Ângulo Horário do Sol ou Hora Angular (ω):éodeslocamentoangulardosol,nosenidoLeste-Oeste,àparirdomeridianolocal,devidoaomovimentoderotaçãodaTerra.ATerradáumavoltacompleta(360°)emtornodesimesmaem24horas.Portanto,cadahoracorrespondeaumdeslocamentode15°.

• Ângulo Zenital (θz):éoânguloformadoentreosraiossolareseaverical(Zênite).Oângulozenitaléoinversodaalturasolar.OsolsóalcançaoZênitenaslocalidadesentreostrópicos(zonatropical).Foradostrópicos,emnenhumalocalidadehaverá,aomeiodiasolar,ângulozenitaligualazero.

O conhecimento desses termos é de extrema importância para o estudo de qualquer sistema deaproveitamentodeenergiasolar.

3.2. Radiação Solar ao Nível do Solo

AintensidadedaradiaçãosolarquechegaàTerraéemtornode1,3kW/m²acimadaatmosfera.AquanidadedeRadiação quechegaaochão,noplanohorizontaldependedalocalizaçãogeográica,mastambémdascondiçõesatmosféricas,assimcomodoperíodo(estação)doano.Aatmosferaterrestreagecomoumiltro,quebloqueiaumapartedessaenergia.Quantomaisespessaforacamadaatmosféricaaser

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vencida,menorseráaIrradiância solaraoníveldosolo.Acamadaatmosféricaserámaisoumenosespessa,deacordoàelevaçãodosol,nomomentodamedição.EssaespessuraémedidaatravésdeumcoeicientechamadoMassa de Ar(AM).Amassadearinluenciaatravésdosefeitosdeabsorçãoedispersão(RayleigheMie),porisso,quantomaiselevadoosolesivernocéu,menoresserãoosefeitosdacamadaatmosférica.Éimportantesalientarqueapoluiçãoatmosféricapotencializaessesefeitosdeabsorçãoedispersão.

Figura 12 - Relação entre o Ângulo de Incidência e a Massa de Ar

ArelaçãoentreocoeicienteAMeaalturasolareângulozenitaléaseguinte:

Devidoaessesfatores,amáximaIrradiânciaquechegaàsuperícieterrestreéemtornode1.000W/m².AradiaçãoquevemdiretamentedosoléchamadadeRadiaçãoDireta,eaquevemdaabóbada celeste échamadadedifusa.Alémdessasduas,temostambémaRadiaçãodeAlbedo,queaenergiasolarreleidadaTerra,sejaporvegetação,construções,etc.A IrradiânciadeAlbedoémuitopequena.AsomadessasIrradiaçõeséchamadadeIrradiaçãoSolarTotal.


Figura 13 - Gráico do espectro da radiação solar dentro e fora da atmosfera terrestre

3.3. Medindo o Potencial Solar

Paraviabilizarosprojetoscomerciaisdesistemasdeaproveitamentodeenergiasolarsãonecessáriosestudossobrearadiaçãosolarnasuperícieterrestre.Essesestudostêmcomobaseamediçãodaradiaçãoextraterrestre(realizadaporsatélitesmeteorológicos),juntamentecomaadoçãodemétodosdecálculosmatemáicoseamediçãodaradiaçãosolaraoníveldosolo.ParacalculararadiaçãoaoníveldosolosãouilizadosdisposiivosespecíicosnormaizadospelaOrganizaçãoMundialdeMeteorologia.Ospiranômetros,pireliômetros,heliógrafoseacinógrafossãoalgunsdessesaparelhos.

Essesestudoslevamalgunsanospararetornaremdadosconcretos,jáquetemqueconsiderarváriosfatorescomo,porexemplo,asmudançasclimáicas.

Figura 14 - Piranômetro

No Brasil temos dois principais estudos sobre a radiação solar em território brasileiro: o “AtlasSolarimétricodoBrasil”–produzidopeloCRESESB(CentrodeReferênciaemEnergiaSolareEólicaSergiodeSalvoBrito);eo“AtlasBrasileirodeEnergiaSolar”–produzidopelaUniversidadeFederaldeSantaCatarinaemconjunto/paracomoProjetoSWERA.

Osdoisestudossãocomplementaresemostramasvariaçõesnaradiaçãocaptadanasuperíciedoterritóriobrasileiroaolongodeumano.

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OAtlasSolarimétricoapresentaosvaloresdaradiaçãonoplanohorizontal(H)emmegajoulespormetroquadrado(MJ/m²).

Figura 15 - Radiação Solar Global Anual - Atlas Solarimétrico do Brasil

OAtlasBrasileirodeEnergiaSolarapresentaosresultadosemquilowatshorapormetroquadrado.OvalordadoemkWh/m²échamadodeHoras de Sol Pico (HSP)ouHoras de Sol Pleno.

Figura 16 -Mapas de Radiação Solar - Atlas Brasileiro de Energia Solar

3.3.1. Horas de Sol Pico

ARadiaçãosolarvariaduranteodiaetemsuamaiorintensidadeaomeio-dia-solar.

Àparirdomomentoemqueosolaparecenohorizonteatéoocaso,aradiaçãosolarvaidomínimoaomáximo(aomeio-dia-solar),edevoltaaomínimo.AsnuvensinluenciamaIrradiância Direta,fazendocomquemesmoaomeio-dia-solarpossamoscaptarmenosenergiaquenocomeçodamanhãouinaldatarde.

SecolocarmosemumgráicoavariaçãodaIrradiânciaemumdiamédio,podemosobservarashorasdodiaemquea Irradiânciaépróximaouiguala1000W/m².


Figura 17 - Gráico das Horas de Sol Pico

Essevalorédeextremaimportânciaparaocálculodesistemasfotovoltaicos,poisénessashorasqueumpainelfotovoltaicoestarágerandooseumáximoduranteodia.Ashorasdesolpicoestãocompreendidasentreduasatrêshorasantesedepoisdomeio-dia-solar.Omeio-dia-solaracontecequandoosraiosdesolestãoseprojetandonadireçãoNorte-Sul,nomeridianolocal.Comoomeiodiasolarvariaaolongodoano,namaioriadasvezesserádiferentedomeiodianohoráriocivil.

O CRESESB disponibiliza uma ferramenta de acesso ao banco de dados de radiaçãosolar em território brasileiro. Acesse esta ferramenta de nome Sundata pelo seguinte link: htp://www.cresesb.cepel.br/sundata/index.php.

3.4. Efeito Fotovoltaico

Otermo fotovoltaico signiicaatransformaçãodaradiaçãosolardiretamenteemcorrenteelétrica,uilizandoascélulasfotovoltaicas,tambémchamadasdecélulassolares.

Ascélulasfotovoltaicassãoconsituídasdemateriais semicondutorescomo:silício,arseneto de gálio,telureto de cádmio ou disseleneto de cobre e índio (gálio).Osilíciocristalinoéomaisuilizado,masastecnologiasdepelículainaganharammercadocomaproduçãoemlargaescala.

3.4.1. Princípios de funcionamento

Os semicondutores possuem abanda de valência totalmente preenchida e abanda de condução

totalmentevaziaatemperaturasmuitobaixas.Aseparaçãoentreasduasbandasdeenergia,chamadade

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gap de energia,éemtornode1eV.

Figura 18 - Gap de enegia nos semicondutores

NosisolantesogapédevárioseVs,variandoconformeomaterial.

Figura 19 - Comparaivo do gap entre os ipos de matérias

Isso dá aos semicondutores determinadas caracterísicas especiais, como o aumento da suaconduividadecomoaumentodatemperatura,devidoàexcitaçãodoselétronsdabandadevalênciaparaabandadecondução.Outracaracterísicaimportante,éapossibilidadedefótons,nafaixadovisívelecomenergiasuiciente,excitaremoselétrons.Esseefeitoqueacontecenossemicondutorespuros,chamadosdeintrínsecos(i),porsisónãopermiteofuncionamentodomaterialcomcélulafotovoltaica,poisamaioriadoselétronsvoltaasereconbinar.

Serádescritoaseguirofuncionamentoeapreparaçãodeumacélulafotovoltaicadesilício.

Cadaátomodesilíciotemquatroelétronsdevalência,eparaaingirumaconiguraçãoestávelseligamaquatroátomosvizinhos,formandoumaredecristalina.Nessecaso,nãoháelétronslivres.


Figura 20 - Cristal de Silício Intrínseco (i)

Parapotencializaroefeito fotovoltaicoocristaldesilícioédopado comsubstânciasquealteramasuaredecristalina.SeaosilícioformisturadoátomosdeArsêniooudeFósforoquepossuem5elétronsdevalência,umdesseselétronsicarálivre,permiindoquecompoucaenergiatérmicaesseelétronsalte para

abandadecondução.Esseipodeimpurezaéchamadodedoadoradeelétrons,oudopante n.

Figura 21 - Silício dopado com fósforo

SedoparmososilíciocommateriaiscomooAlumínioouBoro,quepossuem3elétronsdevalência,faltaráumelétronparacriaruma ligaçãocovalente.Esseburaco secomportacomoumacarga posiiva,jáquecompoucaenergiatérmicaumelétronvizinhovemocuparesseburaco,deixandoumburacoondeestavafazendocomquehajaumamovimentação do buraco.Esseipodeimpurezaéchamadodedopante p.

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Figura 22 - Silício dopado com boro

Se combinarmos as duas impurezas nomesmo cristal intrínseco de silício, formamos uma Junção P-N.Naáreadecontatoda junção,oselétrons livresdosemicondutorTipo-NluemparaosburacosdosemicondutorTipo-Patéqueseformeumcampo elétricoqueimpedeoluxopermanentedeelétrons.

Figura 23 - Difusão de elétrons na junção P-N

Sea JunçãoP-N forexpostaà radiaçãosolar,os fótonscomenergia superioraogap liberammaisburacos-elétrons livresquecriamumacorrenteelétricanaáreadajunção.

Algunsdoselétronsliberadossãorecombinados,senãoforemcapturados.Alémdisso,nemtodooespectrodaradiaçãoéaproveitado.


Figura 24 - Aproveitamento da radiação solar pelas células fotovoltaicas

Fótons com energia superior ou inferior à necessidade geram calor desnecessário, que diminui aeiciênciadacélulafotovoltaica.Vejanatabelaabaixoobalançoenergéicodeumacélulafotovoltaicadesilíciocristalino:

Tabela 1 - Aproveitamento da radiação solar pelas células de silício cristalino

100% Irradiação Solar Total-3,0% Relexãoesombreamentodoscontatosfrontais-23,0% FótonscomenergiainsuicientenaIrradiânciadeondascompridas-32,0% FótonscomenergiaexcedentenaIrradiânciadeondascurtas-8,5% Recombinaçãodeelétrons-20,0% Gradienteelétrica,especialmentenaregiãodocampoelétrico-0,5% Resistênciaemsérie(perdastérmicasnaconduçãoelétrica)

= 13,0% Energia elétrica uilizável.

Células Fotovoltaicas



4. Células Fotovoltaicas

Umacélulafotovoltaicaéaunidadebásicadeumsistemafotovoltaico.Éaresponsávelpelaconversãodaradiaçãosolaremeletricidade.

Comoumaúnicacélulanãoésuicienteparagerarpotênciaselétricaselevadas,osfabricantesassociamváriascélulas,easencapsulamparaproteção,formandoassimummódulofotovoltaico.

Osmódulos comerciaisdiferementre siporvários fatores, comoa capacidadedegerarpotencial,chamadodepotência-pico,fatordeforma,área,etc.Eessesvaloressealteramdeacordoaoipodecélulafotovoltaicauilizada.

4.1. Tipos de Células fotovoltaicas

Figura 25 - Representação de uma célula fotovoltaica de silício cristalizado

Aseguir,osprincipaisiposdecélulasfotovoltaicasproduzidasemescalacomercialesuasprincipaiscaracterísicas.

4.1.1. Silício Cristalizado

O silício é o segundo material mais abundante na natureza, perdendo apenas para o oxigênio.Entretanto,osilícioestánaturalmentecombinadoaoutrosmateriais,eseapresentacomodióxidodesilícioesilicatos.Aareiaeoquartzosãoasformasmaiscomuns.Aareiacontémdemasiadoteordeimpurezasparaserprocessada., jáosdepósitosdequartzitochegamapossuir99%deSi.Éessaareia sílicaqueéprocessadaparaaobtençãodamatériapura.

Paraauilizaçãodosilíciocomomatériaprimaparaafabricaçãodascélulasfotovoltaicas,essedeveserpuriicado.

Sãodois,osgrausdepuriicaçãodosilício:

1 – Silíciometalúrgico, onde se combina aoquartzitoquanidades controladasde carbonoa altastemperaturas.OoxigêniopresentenoquartzitoéremovidonaformadeCO2e,depoisdeoutrosprocessos,

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serãoobidasbarrasdesilíciocompurezade98%.

2–Silíciograusemicondutor(eletrônicoesolar),ondeosilícioéconveridoatravésdeácidoclorídrico(HCl)atriclosano:Si+3HCl=>SiHCl3+H2.Devidoaoseubaixopontodeebulição(31,8°C),estepodeserpuriicadopelométododedesilação fracionada,processo semelhanteaouilizadoemreinariasdepetróleo.ComaadiçãodeH2aconteceaseguintereaçãoquímica:SiHCl3+H2=>Si+3HCl.

Apósessapuriicação,teremoscriadoumcristaldesilíciocomaté99,9999%depureza,queéumdosmateriaismaispurosproduzidospelohomem.Éjustamenteesseprocessodepuriicaçãoqueencareceacriaçãodascélulasfotovoltaicas.

4.1.1.1. Silício Monocristalino

Umadasformasdeseobterocristal únicodesilício,éatravésdométodoCzochralski.Duranteesseprocesso,umasementedecristaldesilícioéinseridanumacaldeiracomsilíciopolicristalinoe,enquantooconjuntogiralentamente,essasementeéerguida.Asementedesilícioorientaosátomosdomostoquesecristalizaemumaúnicaformaçãocristalina,porissoonome:monocristal.

Apósocortedocristalempasilhas,édepositadoofósforo,atravésdedifusãodevaporatemperaturasentre800-1200°C,ecriadaarededecontatosfrontaisetraseirasquerecolherãooselétronsliberadospeloefeitofotovoltaico.Tambéméfeitoumtratamentoanirrelexonaparteposterior.

Eiciência:15–18%(Czochralski)

Forma:Geralmentearredondadas,ouemformatodefaia de pizza.

Tamanho: geralmente10x10cm²ou12,5x12,5cm²;diâmetro10,12,5ou15cm.

Espessura:0,3mm.

Cor: geralmente azul-escuro ou quase preto (com anirrelexo), cinza ou azul-acinzentado (semanirrelexo).

Fabricantes:aAstroPower,BharatElectronics,BHEL,BPSolar,Canrom,CEL,CellSiCo,DeutscheCell,Eurosolare,GEEnergy,GPV,Helios,Humaei,Isofoton,KaifengSolarCell

Factory,KwazarJSC,Maharishi,MatsushitaSeiko,Microsolpower,NingboSolar

EnergyPower,PentafourSolecTechnology,Photowat,RWESchotSolar,Sharp,

ShellSolar,Solartec,SolarWindEurope,Solec,Solmecs,Solterra,Suntech,Sunways,

Telekom-STV,TianjinJinnengSolarCell,VivaSolar,WebelSL,YunnanSemiconductor.

Figura 26 - Células de silício monocristalino

4.1.1.2. Silício Policristalino

Umdosprocessosdecriaçãodesilíciopolicristalinomaisuilizadoéodefundição de lingotes,onde


o silício emestado bruto é aquecido no vácuo até uma temperatura de 1.500°C e depois resfriado atéumatemperaturade800°C.Pode-seaproveitaroprocessodepuriicaçãodosilício,ejáadicionaroBoro.Nesseprocessoéuilizadomenosenergia.Serãocriadosblocosdesilíciode40x40cm²comalturade30cm. Oprocessoseguecomoodosilíciomonocristalino,comocorte,tratamentoanirrelexoecriaçãodoscontatosfrontais.

Eiciência: 13–15%(comanirrelexo)

Forma:geralmentequadrada.

Tamanho:10x10cm²,12,5x12,5cm²,15x15cm².

Espessura:0,3mm.

Estrutura:duranteoresfriamento,formam-sevárioscristaisdesilíciocomorientaçõesdiversas.Essaformaçãomulicristalinaéfacilmentereconhecida.

Cor:azul(comanirrelexo),cinzaprateado(semanirrelexo).

Fabricantes:Al-Afandi,BPSolar,DeutscheCell,ErSol,Eurosolare,GPV,KwazarJSC,Kyocera,Maharishi,Mitsubishi,Motech, Photovoltech, Photowat,Q-Cells, RWESchotSolar, Sharp, Shell Solar, Solar PowerIndustries,Solartec,Solterra,Suntech,Sunways,TianjinJinnengSolarCell.

Figura 27 - Celulas de silício policristalino

4.1.2. Células de Película Fina

Odesenvolvimentodascélulasfotovoltaicasdepelículainavemdesdeadécadade90.Omaterialsemicondutor é aplicado em um substrato, geralmente vidro, através de deposição por vaporização,deposição catódica oubanhoeletrolíico.Os semicondutoresmais uilizados sãoo silício amorfo (a-Si),o disseleneto de cobre e índio (gálio) (CIS-CIGS)eotelureto de cádmio (CdTe).Devidoàaltaabsorçãoluminosa,camadasdemenorespessura(0,001 mm)são,emteoria,suicientesparaconverteraluzsolaremeletricidade.Alémdisso,essesmateriaissãomaisfacilmentedopadoserequeremmenorestemperaturas(entre200°C e 500°C)parasuafabricação,oque,combinadocomacapacidadedeautomaçãoparaproduçãoemlargaescala,podebaratearopreçoinaldosmódulos.

As células de película inam não tem o tamanho e o formato restrito, como as células de silíciocristalizado.

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4.1.2.1. Silício Amorfo (a-Si)

Figura 28 - Representação de uma célula de silício amorfo

Osilícioamorfo (sem forma)nãopossuiumaestruturacristalina,mas simuma rede irregular.Porissoseformamligaçõeslivresqueabsorvemhidrogênioatéasaturação.Essesilícioamorfohidrogenado(a-Si:H) é criandoem reatoresplasmáicos, atravésde vaporizaçãoquímicade silanogasoso (SiH

4), que

requertemperaturasrelaivamentebaixas,emtornode200°C a 250°C.

Agrandedesvantagemdascélulasdea-Siéasuabaixaeiciência,quediminuinosprimeiros6a12mesesdefuncionamento,devidaàdegradaçãoprovocadapelaluz,pelochamadoEfeito Staebler-Wronski,atéaingirumvalorestável.

Eiciência:entre5%a9%deeiciênciadomódulo.

Forma:formatolivre.

Tamanho:módulostandard0,77x2,44m4;módulosespeciais2x3m².

Espessura:1-3mmparaosubstrato(plásico,vidro,etc.),comumrevesimentodesilícioamorfodeaproximadamente0,001mm.

Cor:castanhoavermelhadoaazulescuro.

Fabricantes: BPSolar,Canon,Dunasolar,ECDOvonics,EPV,FreeEnergyEurope,FujiElectric,ICP,IowaThinFilmTechnologies,Kaneka,MHI,RWESchotSolar,Sanyo,ShenzhenTopraySolar,Sinonar,SolarCells,TerraSolar,TianjinJinnengSolarCell,UnitedSolarOvonic,VHFTechnologies.


Figura 29 - Módulo de silíco amorfo

4.1.2.2. Disseleneto de Cobre e Índio (CIS)

Figura 30 - Representação de uma célula CIS

ParasefabricarascélulasCISosubstratoérevesidocomumainacamadademolibdênioatravésdedeposiçãocatódica,eacamadaCISdoipoPpodeserfabricadaatravésdavaporizaçãosimultâneadocobre,índioeselênio,numacâmaradevácuoa500°C,ouatravésdadeposiçãocamadaacamadadosmateriais.Oóxidodezincocontaminadocomalumínio(ZnO:Al)éuilizadocomocontatofrontaltransparente.EssematerialédoipoN eédepositadaumacamadaintermediáriadeóxidodezincointrínseco(i-ZnO).Umacamada de sulfato de cádmio (CdS) do ipoN é uilizada para reduzir as perdas causadas combinaçãoinadequadadasredescristalinasdascamadadeCISeZnO.

Diferentementedosilícioamorfo,célulasCISnãosãosuscepíveisàdegradaçãocausadapelaluz,masapresentamproblemasdeestabilidadeemambientesquentesehúmidos.Porisso,osmódulosfabricadoscomesseipodecélulatemqueterboaselagem.

OsmódulosCISsãoosmaiseicientes,dentreosmostradosaqui,eéprovávelqueaproduçãoemmassatorneosseuspreçosmaisatraivosqueosdesilícioamorfo.Infelizmenteasreservasdeíndioestãocadavezmaisreservadasàproduçãodastelastouch-screendossmartphonesetablets,comprometendoo

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usodessematerialparaaindústriafotovoltaica.

Eiciência:7,5%a9,5%deeiciênciadomódulo.

Forma: formatolivre.

Tamanho: geralmenteentre1,2x0,6m².

Espessura:3mmparaosubstratocomrevesimentode0,003mm.

Cor:preto.

Fabricantes:ShellSolar,WürthSolar,ShowaShell,EPV,GlobalSolar,Daystar.

Figura 31 - Células CIS

4.1.2.3. Telureto de Cádmio (CdTe)

AscélulasdeCdTesãofabricadassobreumsubstratodevidro,comumacamadadeóxidodeestanhoíndio(OTI)comocontatofrontal,queérevesidocomumacamadatransparentedesulfatodecádmio(CdS)doipoN, edepoiscomacamadadeteluretodecádmio(CdTe)doipoP.Podemserfabricadosporsilk screen,deposiçãogalvânicaoupirólise pulverizada.

Figura 32 - Representação de uma célula CdTe

AssimcomooCIS,atecnologiadefabricaçãodoCdTepodeicaraindamaisbaratacomoaumentodaproduçãoemescala.Adesvantagemestánatoxicidadedocádmio.OCdTeéumcompostoatóxicoestável,maspodeapresentarumriscoparaoambienteeasaúdenacondiçãodegás.Felizmenteoestadogasososóocorreduranteasuafabricação,emcentrosdeproduçãocontrolados.

Eiciência: 6–9%deeiciênciadosmódulos.


Forma: formatolivre.

Espessura: 3mmparaosubstratocom0,008mmderevesimento.

Tamanho: geralmente1,2x0,6m².

Cor:verde-escuroapreto

Fabricantes: Antec,FirstSolar,Matsushita.

Figura 33 - Módulo de CdTe

4.1.3. Tabela de Eiciências

Tabela 2 - Eiciência dos diferentes ipos de células fotovoltaicas

Material EiciênciaemLaboratório

Eiciênciaemprodução

Eiciênciaemproduçãoemsérie

SilícioMono 24,7% 18% 14%SilícioPoly 19,8% 15% 13%SilícioAmorfo 13% 10,5% 7,5%CIS,CIGS 18,8% 14% 10%CdTe 16,4% 10% 9%


Módulos Fotovoltaico


5. Módulos Fotovoltaicos

Umacélula fotovoltaicadesilíciocristalizadoproduzumatensãodeaproximadamente0,46a0,56voltseumacorrenteaproximadamente30mA/cm².Ascélulascomerciaisgeramemtornode1 A,2,5 A,3 A,5 Ae7 A.

Para alcançar as potências comerciais, os fabricantes de módulos fotovoltaicos conectam célulasfotovoltaicasentresi,geralmenteemsérie,emumprocessodeconexãoqueéfeitosoldandoosterminaisdapartefrontaldeumacélulaàpartetraseiradaseguinte,eassimpordiante.Paraconstruirummódulodetensãonominalem12volts,serãoconectadasentre30e40células(geralmente33,36ou40).

Figura 34 - Conexão de células fotovoltaicas em série

Oprocessodemontagemdomódulofotovoltaicopodeserfeitodemaneiraautomáica,atravésdemaquinárioespecializado,oupormanufatura,ondeoprocessodeproduçãonãopermiteumaaltaproduçãoemescala.

Figura 35 - Máquina para conexão automáica de células

Apósaconexão,ascélulasserãoencapsuladasnaseguinteordem:

• Umalâminadevidrotemperado;

• Ummaterialorgânico,comooEVA(eileno-vinil-acetato);

• Ascélulasconectadas;

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• MaisumalâminadeEVA(ousimilar)

• Umacobertura,quepodeservidro,tedlar,PVC,ououtrospolímeros

Figura 36 - Máquina de corte dos materiais de encapsulamento

Oconjuntoserálevadoaumamáquinalaminadora,queinalizaalaminagem,dandoestanqueidadeaoconjunto.

Figura 37 - Laminadora de módulos fotovoltaicos

Porimoconjuntoseráemoldurado(uilizandogeralmentealumínioanodizado),serãoinseridasascaixasdeconexão(ecabos/conectores)eomóduloserálevadoaumSimulador Solar.


Figura 38 - Máquina de molduragem de módulos fotovoltaicos

Alémdosimuladorsolar,osmódulospassamportestesmecânicoscomo:

• Variaçãodetemperaturaentre-40°Caté+85°C;

• Testesdeisolamentosobhumidadeecongelamento;

• Cargamecânica,resistênciaagranizoetorções;

• Resistênciadeterminais,etc.

Figura 39 - Simulador Solar

Ostestesmecânicosdeterminamacapacidadedosmódulosresisiremàsintempéries,ostestesdeisolamentosãoparaoselementoscondutoresemoldura.Ostestesdetorçãodetectamdefeitosquepossamapareceremcasodemontagemdemódulosemestruturainadequada.

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Figura 40 - Módulos fotovoltaicos comerciais

5.1. Caracterísicas dos Módulos Fotovoltaicos

Cada ipo de módulo, de acordo com a tecnologia uilizada na célula, tem suas caracterísicaspariculares.Apresentaremosaqui,ascaracterísicasdosmódulosdesilíciocristalizado,poissãoosmaisuilizadosatualmente.

Osmódulossãoclassiicadosnomercadodeacordoàsuapotência-pico(Wp),eaoipodecélula.Masparaumtécnicoouprojeista,existemoutrascaracterísicasaseremconsideradas.

5.1.1. Caracterísicas Físicas e Mecânicas

Osmódulosfotovoltaicoscomerciaistemformaquadradaouretangular.Aespessura,semamoldura,não costumaultrapassar 4 cm.Não sãomuito pesados e, apesar da aparência rígida, suportam ligeirasdeformações,adaptando-seaesforçosmecânicos.

Figura 41 - Corte transversal de um módulo fotovoltaico

Ascaixasdeconexãopossuemoisolamentonecessárioparaaconexãodoscaboseaoutrosmódulos.Alémdisso,osmódulostêmumpontodeaterramento,paraoscasosemqueasconexõesentremóduloscheguematensõesmaiores.


Figura 42 - Caixas de conexões de módulos fotovoltaicos

Asdimensõeseopesodosmódulosvariamdeacordoaofabricanteeàpotência-pico,masseguempadrõesgeraisseguidosportodos.Módulosparasistemason-gridcostumamvirde fábricacomosconectoresespeciaisparaconexãorápida.OsmaiscomunssãoosmodelosMC3 e MC4,desenvolvidospelaempresaMulicontact,masquesãofabricadospordiversosoutrosfabricantesnomesmopadrão.

Figura 43 - Conectores MC3 e MC4

OutromodelodeconectorparasistemasfotovoltaicosédesenvolvidopelaempresaTycoEletronics.

Figura 44 - Conectores Tyco

Osmodelosnãosãocompaíveisentresi,ealgunsfabricantesusamdiferentesmodelosdeconectorem seus diferentesmodelos demódulo. A falta de compaibilidade entre os conectores serve como oindicaivodarecomendaçãodenãoseagruparmódulosdecaracterísicasdisintas.

Tenhabastanteatençãoquantoaoconectoruilizadopelofabricante,nafasedeprojetodosistemaPV,poisaremoçãoe/outrocadoconector,emmuitoscasos,invalidaagaraniacontradefeitosdefabricaçãodomódulo.Épossívelcontornaraincompaibilidadeentreosconectoresdosmóduloseosconectoresdos

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disposiivosdecondicionamentodepotência(comoosinversores)atravésdascaixasdejunçãodeileiraepainéis(vistoabaixo).

Nemtodososmodelosdemódulosfotovoltaicosvêmcomconectores.Osmodelosdemenorpotênciageralmente não os têm.Mesmomódulos demaior potência, mas com foco em sistemas fotovoltaicosisolados,tambémnãocostumaterosconectores.Possuemapenasacaixadeconexão.

5.1.2. Caracterísicas Elétricas

Tensão Nominal:éatensãopadrãoparaaqualomódulofoidesenvolvidoparatrabalhar.Aquanidadecélulasfotovoltaicasdeterminaesseparâmetro,segundoatabelaabaixo:

Tabela 3 - Tensões nominais e Voc de módulos Standard

Número de Células Tensão Nominal Tensão em CircuitoAberto (Voc)

18células 6volts 9,2volts36células 12volts 17,4volts72células 24volts 40,15volts

AtabelaanteriorseaplicaaosmódulosStandardquesãoosmaisadequadosparasistemasfotovoltaicosisolados.Há,nomercado,módulosnon-standard,quepossuemvariadosnúmerosdecélulas(ex.:40ou60)esósãoadequadosparasistemasfotovoltaicosconectadosàrede,assimcomoosmódulosstandard.Emcircunstânciasespeciais,osmódulosnon-standardpodeseruilizadosemsistemasisolados.

Tensão de Máxima Potência (Vmpp): é a tensãomáximaqueomódulo gerará, em seupontodemáximapotência,sobascondições padrão de teste(STC)

Tensão em Circuito Aberto (Voc): tensãomáximaqueomoduloforneceemseusterminais,semapresençadeumacarga(emvazio).Éumatensãodeteste.Podemosmedi-lacomummulímetro.

Corrente em Máxima Potência (Imp):correntemáximaqueummódulofotovoltaicopodeforneceraumacarga,emcondiçõespadrãodeteste.

Corrente de Curto Circuito (Isc):correntemáximaqueomódulofotovoltaicofornece,quandoseusterminaisestãoemcurtocircuito,sobascondiçõespadrãodeteste.Diferentedasbateriaseoutrasfontesdeenergia,podemosmediracorrenteemcurtocircuitodeummódulofotovoltaico.Acorrenteemcurtocircuito,geralmenteé5%superioràcorrentemáxima.

Potência Máxima: acorrenteelétricageradaporummódulovariadezeroaoIsc,enquantoatensãoentreosterminaisvariadezeroatéoVocsobdiferentescondiçõesdeIrradiânciaetemperatura.Comoapotênciaéoprodutodatensãopelacorrente,essasóseráamáximaparaumaúnicacombinaçãodetensãoecorrente.Ummódulofotovoltaicoestaráfornecendoamáximapotência,quandoocircuitoexternopossuirumaresistênciatal,quedetermineosvaloresmáximosdetensãoecorrentee,portantooseuprodutoseráomáximo.Existemaparelhosqueconseguemalcançar opontodemáximapotência(MPPMaximumPowerPoint)emdiversascondiçõesdeirradiânciaetemperatura.SãoosSeguidores do Ponto de Máxima Potência(MPPTrackers).


Figura 45 - Curva I V de um módulo fotovoltaico comercial

Eiciência: éoquocienteentreapotênciageradaeairradiânciaincidentesobreomódulo.

Fator de Forma (Preenchimento): éumconceito teóricoquemedeaformadacurvadeinidapelasvariáveisIeVnaseguinteequação:

Figura 46 - Fator de forma de um módulo comercial

5.2. Condições de Teste e Operação

Para os teste de performance e rotulagem dos módulos fotovoltaicos, é uilizado um padrão deirradiância,massadearetemperatura.Essepadrão,chamadodeCondições Padrão de Teste (STC – Standard Test Condiions)éconseguidoemlaboratórioatravésdosimuladorsolar.Emsituaçõespráicas,nãotemosasmesmascondiçõesparaotrabalhodosmódulosfotovoltaicos.Vejaabaixoosvalorescomparaivosemtrêscondições:

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Tabela 4 - Condições de teste e operação dos módulos fotovoltaicos

Parâmetros STC NON-STC G-NOCTIrradiância (G) 1.000W/m² 800W/m² 200W/m²Massa de Ar (AM) 1,5 2 2Temperatura da célula 25°C 45°C 45Temperatura do ar 0°C 20°C 20°C

Todos os módulos comerciais têm em suas ichas de dados os resultados dos testes em STC. Érecomentadoaosfabricantes,pelanormaDIN EM 50380,queosfabricantesacrescentemasinformaçõesdostestesemCondições Normais de Operação,inclusiveembaixasirradiâncias,comomostradonatabelaacima.

AgrandeimportânciadissoestánofatodeapotênciamáximadeummódulocomercialserdiferentedanominalquandoesteestárecebendoIrradiânciasmenores,ouquandosuascélulasestãosubmeidasatemperaturasdiferentesde25°C.AbaixoavariaçãodetensãoemcircuitoabertoecorrentedecurtocircuitodeacordoàIrradiância.

Figura 47 - Variação de Voc e Isc de acordo à Irradiância

Segundoográicoacima,podemosverqueatensãovariamenosqueacorrente.Istoporqueumfóton(comenergiasuiciente)energizaumelétron.Commaiorirradiância,maioraquanidadedefótons,emaioracorrenteelétricagerada.

Asvariaçõesde temperatura também inluenciamodesempenhodas células fotovoltaicas.Comoaumentodatemperatura,atensãodecircuitoabertocaieacorrentedecurtocircuitoaumenta.


Figura 48 - Variação da tensão e corrente de um módulo em função da temperatura

Aquedadetensãoémaiorqueoincrementodecorrente,portantooaumentodatemperaturareduzsigniicaivamenteapotênciadosmódulos.

Atemperaturadascélulasfotovoltaicasnãoéamesmadoambiente,poisascélulassofremumaumentodetemperaturaaoreceberaradiaçãosolar,porcontadoefeitofotovoltaico.Adiferençadetemperaturavariadeacordoàscaracterísicasconstruivasdacélula(a-Si,p-Si,m-Si,etc.)edomódulo.Podemosesimaressadiferençadetemperaturaatravésdaseguinteequação:

Onde:

G:éairradiânciaemw/m²

Nasfolhasdedadosdosfabricantesencontramososcoeicientesdetemperatura,poisessedadoédeextremaimportância,principalmenteparaocálculodesistemasconectadosàrede,poisesses,geralmente,uilizamgrandesquanidadesdemódulosassociadosemsérie,eastensõessãoaltas.Comavariaçãodatemperaturaadiferençadetensãopodenãosersuicienteparaotrabalhodeuminversoron-gridduranteosdiasquentesdeverão,maspodealcançarvalorescapazesdedaniicaruminversorsubdimensionadoemumdiafriodeinverno.

Figura 49 - Coeicientes de temperatura de um módulo comercial

Emgeraltemososseguintesvaloresmédios,casoofabricantenãoforneçaosdados,paracada1°Cacimade25°C:

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Tabela 5 - Coeicientes de temperatura de módulos fotovoltaicos

Coeiciente Silício Cristalizado Película Fina

CorrentedeCurto-Circuito(Isc) +15x10-6Aporcm²decélula +1,3x10-5Aporcm²decélula

TensãoemCircuitoAberto(Voc) -2,3x10-3 Vporcélula -2,8x10-3Vporcélula

PotênciadoMódulo(Wp) -0,5%pormódulo -0,5%pormódulo

5.3. Associação de Módulos Fotovoltaicos

Diicilmente um únicomódulo fotovoltaico será suiciente para consituir opainel fotovoltaico deum sistema fotovoltaico.Umpainel fotovoltaico éum conjuntodemódulos fotovoltaicos eletricamenteligadosentresi,que fornecemdeterminadopotencial,egeralmenteestarão ligadosaumdisposiivodecondicionamentodepotênciae/oucontrole.

Naassociaçãoemsérie,chamadadeileira,osmódulosterãosuastensõessomadas,eatensãodopainelseráasomadastensõesindividuaisdecadamódulo.Acorrenteseráamédiadascorrentesdecadamódulo,porissonãoéaconselhávelaassociaçãodemódulosdecapacidadesdisintas.

Figura 50 - Comportamento de uma associação em série de módulos fotovoltaicos

Naassociaçãoemparaleloteremosoaumentodiretodacorrentequeserá,nopainel,asomadascorrentesindividuaisdecadamódulo.Atensãoseráamédiadastensõesgeradas.

Figura 51 - Comportamento de uma associação de módulos em paralelo

Namaioriadoscasos,seránecessárioassociarosmódulosemsérie,paraalcançaratensãonominaldosistema,etambémemparalelo,paraalcançarapotência-picocalculadanoprojeto.Nessescasos,temosascaracterísicasdasduasassociaçõesanteriores,emaioresperdasaouilizarmódulosdecaracterísicasdiferentes.


Figura 52 - Associação mista de módulos fotovoltaicos

5.4. Sombreamento, Pontos Quentes e Diodos de Proteção

Sobdeterminadas condiçõesdeoperação, uma célula fotovoltaica, ao receberuma sombra, podeaquecertanto,queomaterialsemicondutorpodeserdaniicadopelocalor.Aparecemoschamadospontos-quentes(hot-spots),quedaniicamomódulopermanentemente.Issoacontecequando,aoinvésdegerar,o módulorecebecorrente.

Figura 53 - Ponto-quente em uma célula fotovoltaica

Vejamosascircunstânciasquelevamaoaparecimentodoshot-spotse,emseguida,asformasdeevitá-los.Quandooperandonormalmente,acorrenteelétricageradaporumacélulafotovoltaicaéconsumida por

umacarga.

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Figura 54 - Funcionamento normal de um conjunto de células fotovoltaicas

Seumafolhacaisobreomódulo,deformaacobrirumacélula,estaestaráinversamente polarizada

epassaráaagircomoumacarga,convertendoeletricidadeemcalor.Seacorrentequeatravessaacélulaforaltaosuiciente,teremosaformaçãodohot-spot.Amaiorcorrentequeumacélula,nessascondiçõespodereceber,éacorrentedecurtocircuito,oqueacontecefrequentementeemsistemasfotovoltaicoscomcontroladores shunt(vistosabaixo).

Figura 55 - Célula sombreada convertendo eletricidade em calor

5.4.1. Diodos de By-Pass

Umconjuntode18a20célulasemsériepodegerarumatensãoemtornode12V,eatensãodebloqueiodeumacélulafotovoltaicaestáentre12Ve50V.Comumaassociaçãodequatromódulosemsérieteremosafaixadetensãoondeépossívelqueacorrenteinversaatravesseascélulassombreadas.Paraevitaraformaçãodoshot-spots,acorrentedeveserdesviadadascélulas,atravésdeumdiodo de derivação

– tambémchamadodediodo de by-pass–conectadodemaneirainversamentepolarizadaemrelaçãoaumconjuntodecélulas.Osdiodossãoconectadosagruposde18ou20células,demaneiraqueummódulode36célulastem2diodoseummódulode72célulastem4diodos.


Figura 58 - Fileiras de módulos com diodos de bloqueio

Comoos diodos de bloqueio fazemparte da instalação elétrica do sistema, serão instalados pelotécnicoresponsável,geralmentenoquadrodeconexãodosmódulos,juntamentecomosfusíveisdeileirasqueprotegemocabeamentocontracorrentesexcessivas.

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 diodos de derivação são, geralmente,montados nas caixas de conexão,mas os fabricantes sócostumamusarosdiodosemmóduloscompotênciasuperiora40Wp.

Figura 57 - Diodos de by-pass nas caixas de conexão dos módulos

5.4.2. Diodos de Bloqueio

Osdiodosdebloqueiosãouilizadosnasileirasdemódulosemsérie,paraevitarqueummódulosombreadotransformeaileira inteiraemumacarga.Emalgunssistemasautorregulados,osdiodossãouilizadosparaevitarqueabateriasedescarreguesobreopainelfotovoltaico.Nossistemasqueuilizamcontroladoresnãoénecessário,sendoatédesencorajadooseuuso,poisodiodoprovocaumaquedadetensão,queemsistemasmenorespodesersigniicaiva.

DeacordocomanormaIEC 6036-7-712,osdiodosdebloqueionãosãonecessáriosseforemuilizadosmódulosdomesmoipo,comproteçãoClasseIIeceriicadosparafuncionarcom50%dacorrentenominaldecurto-circuito,quandopolarizadosinversamente.


Painel e Arranjo Fotovoltaico

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6. Painel e Arranjo Fotovoltaico

Deine-sepainel fotovoltaicocomosendoumconjuntodemódulos fotovoltaicos.Umconjuntodepainéis fotovoltaicoséumArranjo Fotovoltaico.

Em diversas instalações fotovoltaicas vemos um único painel formado por um grande número demódulos,mas,naverdade,podemosterváriospainéis,dopontodevistaelétrico.Quandoapotênciadeumpainelémuitogrande,detalmaneiraqueascorrenteselétricasgeradassãodemasiadamentegrandesparaosdisposiivosdecontrole,épreferívelsubdividi-loempainéismenores,quepodemseracomodadosemumaestruturaúnica, e seus conectores serão levados adiferentes caixasde conexão, edaí paraosdisposiivosdecontrolecorrespondentes.

Veremosagoraoscuidadoseformasdeinstalaçãodeumpainelfotovoltaico,quepodemseruilizadastantoparasistemasisolados,quantosistemason-grid,poisosconceitossãoosmesmos.

6.1. Estruturas de Suporte e Ancoragem

Tão importantes quanto os módulos fotovoltaicos, são as estruturas que os contêm. O mau funcionamentodossuportesfazcairporterraoinvesimentonatecnologialimpadaenergiasolar.

Para cada caso, há uma solução. No caso de telhados, deve ser veriicado o ipo de telha ou demadeiramento–aestruturaquesuportaotelhado.Nasinstalaçõesemplanohorizontaldeveserveriicadaaalturamínimaetambémascargas de ventoqueadicionamumesforçomecânicoaossuporteseancoragens.

Em todos os casos deve ser observada a correta orientação e inclinação do painel. A corretaorientaçãopermite captaromáximodeenergiaaomeiodia solarehoraspróximas,queéomomentode maior concentração da radiação solar. A inclinação adequada permite a melhor captação duranteo ano,compensandoamenor irradiâncianosperíodosde inverno,nocasodossistemasautônomos,oumaximizandoacaptaçãoegeraçãonosperíodosdeverão,nocasodasinstalaçõeson-grid.

Figura 60 - Painel fotovoltaico montado em telhado

6.1.1. Suportes para telhado

Paraixarosmódulosemtelhados,énecessárioinstalarumperildesuportequepodeseraixadonastelhas(nocasodetelhasmetálicas)ounosuportedotelhado(nocasodetelhasdecerâmica/argilaouconcreto_.


Figura 61 - Presilha para telhas de argila

Em todos os casos deve-se ter especial cuidado quando à impermeabilização, tanto pelo sistemafotovoltaico,quantopelaprópriaediicação.

Figura 62 - Presilha para telhas de metal

Aspresilhassãodispostasparareceberoperil de suportequeserádimensionadoeposicionadodeacordoaosmódulosquecomporãoopainelfotovoltaico.Porissoumaetapaimportanteduranteoestudodecasoepropostadeprojetoéafasedemediçãodosespaçosdisponíveis.

Figura 63 - Módulos montado sobre o peril de suporte

Oqueprendeosmódulos aoperil de suporte sãoaspresilhas rosqueadas, que sãoadaptáveis àgrandemaioriadosmódulos,tantoosstandardquandoosnon-standard,desdequesejamemolduradosea

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suamolduraestejadentrodospadrões(comespessuraentre3e4,5cm).

Figura 64 - Detalhes das presilhas e peril de suporte dos módulos para telhados

Nas estruturas em telhado inclinado, principalmente os de telhas de argila, não é recomendáveluilizar deajustes para corrigir a inclinação, que tornama instalaçãomais diícil, pois o suporte deverásuportarcargasdeventomaiores.Alémdisso,oesforçoextranotelhadopodeserperigoso,seestenãoforsuicientementeforteparasuportá-lo.Omelhorseriaarquitetarotelhadocomadevidaorientaçãoeinclinação,masissosóépossívelnafasedeprojetodaediicação.Depoisdepronta,senãohánecessidadedereformas,umajusteparaainstalaçãodosistemafotovoltaicopodeinviabilizaroprojeto.

Figura 65 - Suporte com correção da inclinação, instalado em telhado metálico

6.1.2. Suportes Para Instalação Em Plano Horizontal

A construção do painel fotovoltaico no chão ou cobertura permite maior lexibilidade quanto àorientaçãoeinclinação.Éaescolhaparagrandesinstalações,ondealgunscuidadosdevemsertomados,principalmentequantoaosombreamentoque,comojávimos,podeserprejudicialàscélulasfotovoltaicas.


Figura 66 - Painéis fotovoltaicos montados no chão, com inclinação adequada

Parainstalaçãonochão,opaineldeveráteralturamínimade30cmdochão,paraevitarosombreamentocausadopelocrescimentodeervas,ouasujeiranabasedosmódulosmaisbaixos,causadapelasgotasdechuva.Essescuidadossãoespecialmenteimportantesparaossistemasinstaladosemlocalidadesremotase/ouinóspitas.

Parapainéismontadosemcobertura,aalturamínimarecomendáveléde5cm.Istoéparapermiiroescoamentodaáguadachuva,eaquebradaforçadoventoemduascomponentes,oquediminuiacargadeventosobreopainel.

Figura 67 - Suporte para instalação em plano horizontal

6.1.2.1. Orientação do Painel Fotovoltaico

Ospainéisfotovoltaicosdevemestarorientadosparaopontoazimutal,edepreferênciacomânguloazimutaldesuperície iguala zero.Oazimuteéoequador,portantonohemisférionorteospainéis sãoorientados para o sul, e no hemisfério sul são orientados para o norte. Dentro da zona tropical, o soldeclinaparanorteeparasulduranteasdiferentesestaçõesdoano,oquepodefazercomqueumpainelcorretamenteorientado,nãorecebaosraiossolaresdiretamenteemalgunsperíodosdoano.Nessescasosérecomendávelauilizaçãodemastros,tantoparaaspequenasinstalações,quantoparaasgrandesusinas.Esteúlimocasosebeneiciadossistemasdeseguimentodosol (sun-tracking).Nocasodas instalaçõesresidenciais, ou asqueaproveitamoespaço livredos telhados, omelhor é compensar essadiiculdade

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duranteoscálculosdoprojeto.

Emtodocasodevemserevitadososângulosmaioresque30°,tantoparaLeste,quantoparaOeste.Paracada15°dedesviodoNortegeográico,teremosumahoradediferençaparaacaptaçãomáxima.ParaLeste,haveráumadiantamento,eparaOestehaveráatraso.Oadiantamentoemdeterminadaslocalidadespodeserbenéico,comoemlocaistropicais,ondechovenomeioouimdatarde,prejudicandoageração.Alémdisso,amaiorirradiânciaqueaconteceaomeiodiasolarnãoseráaproveitadaemsuatotalidade.

Tambémnãoérecomendáveldistribuirosmódulosnasduaságuasdeumtelhadonãoorientadoparao norte,poisteríamospoucomaisdametadedageraçãoduranteamanhã,eomesmovalorduranteatarde.

6.1.2.2. Inclinação do Painel Fotovoltaico

AinclinaçãoidealdospainéisfotovoltaicosvariadeacordoàLaitudedalocalidade,etambémquantoaoipodesistemafotovoltaico.Parasistemasisoladosumpainelcommaiorinclinaçãoérecomendável,poisgarantemaiorcaptaçãonosperíodosdemenorirradiância,próximoaosolsíciodeinverno.Paraossistemasconectadosàrede,inclinaçõesmenorespropiciammaiorcaptaçãonosperíodospróximosaosolsíciodeverão,oquegeramaisenergiae,nospaísescomtarifasdiferenciadas,maioresganhosinanceiros.

Épossívelcalcularamelhorinclinação,paraumsistemaisolado,uilizandoaseguinteequação:

β = φ + (φ/4)

Onde:

Β=inclinaçãodopainelemrelaçãoaoplanohorizontal.

Φ=Laitudedalocalidade

Estaequaçãoretornaumvaloraproximado,eainclinaçãorealpodeserarredondadaematé5°semperdadedesempenho.

Paraossistemasconectadosàrede,podemosuilizaraseguinteequação:

β = 3,7+0,69φ

Emlaitudesacimadeentre15°e30°podemosaproximaroscálculosem:

• Laitude+5°,parasistemasautônomos.

• Laitude–5°,parasistemason-grid.

Em nenhum dos casos é recomendável inclinações menores que 10°, pois a limpeza natural dosmódulospelaáguadachuvaseráprejudicada. Issoéespecialmente importanteemsistemasautônomosinstaladosemlocalidadesremotasouinóspitas,nasquaisamanutençãoéreduzida.

6.1.3. Suporte em Forma de Mastro

Osmastros comportambemos sistemasde rastreamento solar,que só são rentáveis nos grandessistemas.


Figura 68 - Painel fotovoltaico com sistema de rastreio solar

Nocasodepequenossistemasdentrodazonatropical,mesmososresidenciais,ousodeumsuporteemmastropermiteamudançamanualdainclinaçãoeorientação,pelotécnicoresponsávelpelamanutenção.

Figura 69 - Painel fotovoltaico em mastro

6.2. Cálculos de Sombreamento

Tanto nos sistemasmaiores, quanto nas pequenas instalações, é importante evitar a projeção desombrassobreopainelfotovoltaico.

Nocasodasinstalaçõesmenores,assombrasaseremevitadassãodasárvoreseediicaçõesaoredor.Parasecalcularaprojeçãodassombrasduranteodia,énecessárioconheceraposiçãodosolemcadamomento,nasdiferentesestaçõesdoano.

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Figura 70 - Diferenças na posição do sol nas diferentes estações do ano

Parafazercálculosdesombreamentomaissoisicados,érecomendávelousodesotwaresespecíicos,queatravésdeumaimagemdigital,devidamenteorientada,descrevematrajetóriadosoleasprojeçõesdesombras.

Paracalcularumasombrasimples,podemosrecorreraequaçõessimpliicadasquedãobonsresultados,podendoseradicionadasaplanilhasautomáicasdedimensionamento,facilitandooseuuso.Essasequaçõesnãosãorecomendadasparasistemascomplexos,emlocalidadesurbanascomgrandequanidadedealtosediícioscircunvizinhosaolocaldeinstalaçãodopainelfotovoltaico.

Figura 71 - Relações geométricas entre possíveis geradores de sombra

Nocasodesombrascausadasporobjetosfrontais,podemoscalcularasombranosolsíciodeinverno,quandoaprojeçãoémaior.Seconseguirmosevitaressasombra,nesseperíodo,evitaremosassombrasoanotodo.NasLaitudesabaixode20°háoriscodeobjetosanterioresprojetaremsombras,jáqueemtaislocalidadesosoldeclinaasulemalgunsperíodosdoano.EmlocalidadescomLaitudeentre0°e15°asituaçãoémaiscriica,poisosoldeclinaasulemmetadedoano.Portantooentornodopainelfotovoltaicodeveservistoriadoaprocuradepossíveiscausadoresdesombra.

Aseguinteequaçãopermiteocálculodaprojeçãodesombrasfrontais:

d = z/tan h0

Onde:

d=distânciaentreopaineleumobstáculofrontal;

z =alturadoobstáculo;


h0=alturasolar,nosolsíciodeinverno,aomeiodiasolar;

Ofatorh0podesercalculadomedianteaseguinteequação:

h0 = (90° – laitude da localidade) – 23,5°

Figura 72 - Distância mínima entre o painel e um obstáculo frontal

Nocasodeinstalaçõesquedispõemdegrandequanidadedepainéis,comoamostradanaigura62,uilizamosaseguinteequação:

d = l * (sin ß /tang h0 + cos ß)

Onde:

l =alturadopainelemmetros;

ß=inclinaçãodopainelemgraus;

Figura 73 - Cálculo da distância entre paineis

d2 = Z * cos ß

Estasequaçõescalculamaprojeçãodesombraaomeio-dia-solar.Paraestenderàsduashoraspróximas,adicione25%aovalorencontradoparad.

ß



Conectados a Rede


7. Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede

Como,nossistemason-grid,aenergiaelétricageradaéentreguediretamenteàrede,osdisposiivosdecondicionamentodepotênciadevemseadequaraomodocomoaeletricidadeestáluindonaslinhasdedistribuição,copiandoessepadrãoefornecendoomesmoipodesinalelétrico.

Paraaconexãoàrede,uilizamosdisposiivoseconiguraçõesespecíicasparatal.Veremosagoraoscomponenteseconiguraçõescomumenteuilizadosemsistemasfotovoltaicosconectadosàrede.

7.1. Inversores On-Grid

Odisposiivoresponsávelpelainjeçãodeenergianaredeéoinversor grid-ie.Devidoaoseualtograudesoisicação,osinversoresgrid-ienãosãocomparáveisaosinversoresautônomos.EstesNÃOPODEMserligadosdiretamenteàsredesdedistribuição,poisnãopossuemomesmocontrolesobreatensão,faseefrequênciaqueosinversoresgrid-ie possuem.

Figura 74 - Diagrama de ligação com a rede, de um sistema PV on-grid

Osinversoresgrid-iesãoconectadosàdeduasformas:

• Diretamenteàrede–ondeaenergiaérapidamenteescoadaparaosistemaeuilizadapelosconsumidoresmaispróximos.

• Atravésdopontodeconexãodaediicaçãocomaconcessionária–ondeaenergiaelétricageradaéconsumidapelaprópriaediicação/residência,esomenteoexcedenteéfornecidoàrede.

Osinversoresgrid-ieparasistemascompotência-picoaté5 kWpsão,geralmente,monofásicos.Parasistemas de maior potência, geralmente trifásicos. Existem tanto grandes inversores centrais trifásicos,quantoinversoresmonofásicosquepodemseragrupados,formandoseassim,umsistematrifásico.

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Figura 75 - Inversores Grid-Tie

Paraforneceromáximodeenergiaàrede,oinversorgrid-iedeveoperarnoponto de máxima potência (MPP)doarranjofotovoltaico.ComooMPPmudadeacordoàscondiçõesclimatológicas,oinversordevepossuir um sistema de seguimento do ponto de máxima potência (MPPT siglaem inglêsdemaximum power point tracker),queajustaautomaicamenteatensãodeentradadoinversor,deacordoàtensãoMPP

acadainstante.

Sãofunçõesdoinversorgrid-ie:

1. Converteracorrenteconínua,geradapeloarranjofotovoltaico,emcorrentealternada,deacordocomfuncionamentodaredededistribuição;

2. Ajustar-seaoponto de máxima potência(MPP)doarranjofotovoltaico,conseguindooseumaiorrendimento;

3. RegistroOperacional,guardando/transmiidoosdadosduranteoseufuncionamento,atravésdedisplays,cartõesdememória,transmissãodiretaacomputador,etc.

4. PossuirdisposiivosdeproteçãoemCCeCA,comoporexemplo:proteçãocontracurtos-circuitos(CC/CA),proteçãocontra inversãodepolaridade,proteçãocontrasobrecargasesobretensões,proteçãoparaaconexãocomarede.

Fabricantesdeinversoresgrid-ie:

Até 10 kWp: Aixcon,ASP,Conergy,Dorfmiller,EletronicaSanterno,Exendis,Fronius,G&HElektronic,Ingeteam,Kaco,Karschny,Kyocera,Magnetek,Mastervolt,Pairan,Philips,Phoenixtec,RES,Siemens,SMA,Solar-Fabrik,SolarKonzept,Solarstocc,Solarworld,Solon,Solutronic,Sputnik,SunPower,Sunset,Sunways,TotalEnergy,UfE,Victron,WiirthSolergy,Wuseltronik,Xantrex.Acima de 10 kWp:ACE,Conergy,EletronicaSanterno,Energeica,Kaco,RES,SatCon,Siemens,SMA,SolarKonzept,Sputnik,Xantrex

7.1.1. Classiicação e Tipos de Inversores Grid-Tie

Deacordoaoseumododeoperação,osinversoresgrid-iepodemserclassiicadoseminversores controlados/chaveados pela redeeinversores autocontrolados.

7.1.1.1. Inversores Controlados/Chaveados pela Rede

Aconsituiçãobásicadeuminversor controlado/chaveado pela rede éumadeumapontedeiristores.Ousodeinversoresiristorizadosemsistemasdeautomação(ex:controladoresdemotores),levouaousodeiristoresnosprimeirosinversoresparausofotovoltaico.Esteipodeinversoraindaéuilizadoemsistemasdegrandepotência.Paraossistemasmenores,compotênciasaté5kWp,existempoucosfabricantesqueaindauilizamessatecnologia.


Figura 76 - Inversor chaveado pela rede com ponte de iristores

O inversor controlado pela redeuilizaafrequênciaetensãodaredeparachavearosiristores,porissoo seunome.Sehouverumaquedanarede,oinversordesliga-seautomaicamente,oquefazcomqueesseipodeinversornãopossafuncionardemodoautônomo.Duranteoseufuncionamentosãogeradospulsosdecorrentedeondaquadrada,porissoesteipodeinversortambéméchamadodeinversor deonda quadrada.

Figura 77 - Formato da tensão e da corrente de um inversor comutado pela rede

As diferenças da forma de onda senoidal da rede elétrica provocam o aparecimento de grandesdistorçõesharmônicasealtoconsumodepotênciareaiva.Devidoa issosãouilizadosiltrosdesaídaedisposiivosparalimitarosharmônicos.Paraisolararede,éuilizadoumtransformadorprincipal(de50 Hz,parasistemaseuropeus).Nosinversoresmaisrecentes,ospulsossãoemiidosporummicroprocessador.Retardandooimpulso(controleporângulodefase)épossívelimplementarumsistemadeMPPT.

7.1.1.2. Inversores Autorregulados (Auto Chaveados)

Nos inversores autorregulados sãouilizadosdisposiivossemicondutoresquepodemser ligados e desligados,emumcircuitoemponte.Deacordoaoníveldetensãoedesempenhodosistema,podemseruilizadososseguintescomponentes:

• MOSFET(Transistoresdeefeitodecampodesemicondutordeóxidometálico);

• Transístoresbipolares;

• GTO(TiristordeDesligamentoPelaPorta–até1kHz);

• IGBT(Transistorbipolardeportaisolada);

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Figura 78 - Diagrama de ponte de MOSFET’s em inversor auto-chaveado

Através do princípio de modulação por largura de pulso (PWM) estes componentes eletrônicosconseguemreproduzirmuitobemumaondasenoidal.

Atravésdochaveamentorápidodoestadodoscomponentesemfrequênciasemtornode10-100 kHz,sãoformadospulsos,comduraçãoeespaçamentosemelhantesaosdeumaondasenoidal.Apósousodeum iltro passa-baixa,teremosumsinalelétricocompaívelcomarede.

Devido à alta frequência de chaveamento para a formação dos pulsos, estes disposiivos criaminterferênciasemaltafrequência,exigindomedidasdecompaibilidadeeletromagnéica(EMC),atravésdousodecircuitosdeproteçãoeblindagemOs inversores comamarca CE, equepossuemceriicadodeConformidadecomaComunidadeEuropéia(EC)geralmentemantémosvaloresdeEMCabaixodoslimites.

Osinversoresauto-chaveadossãoadequados,aprincípio,parasistemasfotovoltaicosautônomos.Seforemconectadosàrede,afrequênciadapotênciainjetadadevesersincronizadacomadarede,gerandoospulsosdechaveamentodeacordocomessafrequência.

7.1.1.2.1. Inversores Auto-Chaveados com Transformador de Baixa Frequência (LF)

Nos inversores auto-chaveados e nos inversores chaveados pela rede, podem ser uilizadostransformadoresdebaixafrequência(LF)–50 Hz nopadrãoeuropeuparaajustaratensãodesaídacomatensãodarede.OcampomagnéicodotransformadorisolaeletricamenteocircuitoCCdocircuitoCA.

Figura 79 - Diagrama de um Inversor com transformador

Devido ao isolamento, o inversor permite que o arranjo fotovoltaico forneça tensões menores,tornadesnecessáriooaterramento conjuntodo inversoredoarranjo fotovoltaicoe reduz interferênciaseletromagnéicas.


Asdesvantagenssãoaumentodaperdadepotênciaedotamanhoepesodoinversor,fazendocomquealgunsfabricantesuilizassemtransformadoresmenoresouoseliminassemporcompleto.

7.1.1.2.2. Inversores com Tranformadores de Alta Frequencia (HF)

Uilizando transformadores em alta frequência – 10-50 kHz, conseguem-se menores tamanhos,menoresperdas,menorpesoemenorcusto.Entretanto,ocircuitodesteipodeinversorémaiscomplexo,fazendocomqueadiferençadepreçonãosejatãosigniicaiva.

7.1.1.2.3. Inversores sem Transformadores

Parapotênciasmenores,temososinversoressemtransformadores,cujasvantagenssãoosmenores:tamanho,peso,perdasecusto.Nesteipodeinversor,atensãodeentradadeversermaiorqueatensãodepicoda rede,oudeve serelevadaatravésdeumconversorCC/CC, geralmente integradoao circuitodo inversorque, infelizmenteaumentamasperdasenergéicas,diminuídoavantagemdenãopossuirotransformador.

Comonãopossuemisolamentoelétrico,necessitamdeseverasmedidasdesegurançanasuainstalação,exigindoa instalaçãodedisposiivosdeproteção contra corrente residual, tantodo ladoCC,quantonoladoCA.Deve-seobservarque,duranteofuncionamentodossistemasfotovoltaicoscominversoressemtransformador,formam-secorrentesresiduaiscapaciivasdemaisde30 mAentreosmóduloseaterra,oqueinviabilizaousodeInterruptoresDiferenciaisResiduais(IDR)comuns,quedesconectamem30 mA.

Tabela 6 - Comparação entre os ipos de inversores

Com Transformador Sem Transformador

Caracterísicas • Tensões de entrada e saída eletricamenteisoladas

•Muitodifundido• AmaioriadosInversoresCentrais

• Tensão do arranjo PV deve sermaior que a da rede (ou usarConversorCC/CC

• Amaioriadosinversoresdeileira

Vantagens • Podetrabalharcomtensõesreduzidasnaentrada(V<120V)

•Menoresinterferênciaseletromagnéicas•NãonecessitadeligaçãoequipotencialaopontodeaterramentodoarranjoPV

•Maior eiciência (se não temconversorCC/CC)

•Menorpeso•Menorvolume• Instalação CC menor, (para osinversoresdeileirasedemódulosCA)

Desvantagens • Perdasnotransformador•Maiorpeso•Maiorvolume

•Uso de disposiivos de proteçãoadicionais

• Flutuação do ponto defuncionamento

• InstalaçãocompletacomProteçãoClasseII

•Maiores interferênciaseletromagnéicas

7.1.1.3. Caracterísicas e Propriedades dos Inversores Grid-Tie

Aseguirveremosasprincipaiscaracterísicasquesedestacamnosinversoresgrid-iecomerciais.

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7.1.1.4. Eiciência de Conversão (Conversion Eiciency) – ηCON

AEiciência de Conversão representaasperdasnaconversãodiretadecorrenteconínua (CC),emcorrentealternada(CA),compreendendoasperdascausadaspelotransformador–nos inversoresqueopossuem–,nosdisposiivoschaveadoreseocontrolador,nosdisposiivosdecoletadedados,etc.

Onde:

PCA=PotênciadeSaídaEfeiva

PCC=PotênciadeEntradaEfeiva

AEiciência de Conversãoémuitodependentedapotênciadeentrada.Aporcentagemtambémvariadeacordoàtensãodeentradadoinversor,umfatoimportantequefoidesprezadopormuitotempo.

7.1.1.5. Eiciência de Rastreamento (Tracking Eiciency) – ηTR

Os primeiros inversores grid-ie possuíam um controle ixo – o ponto de operação do inversorera deinido para determinado nível de tensão, e qualquer ajuste em função da variação de condiçõesmeteorológicaserammaisrestritos.

Osmodernos inversoresatuais,parasistemasfotovoltaicosconectadosàrededevemgaranirumaperfeitaadaptaçãoàscurvascaracterísicasdoarranjofotovoltaico(curvasI-V),mesmocomasvariaçõesdeIrradiânciaetemperatura,quemudamoPonto de Máxima Potência(MPP).Acapacidadedoinversordeajustaroseupontotrabalho,édescritapelaEiciência de Rastreamento.

Onde:

PPV =Potênciamáximainstantâneadoinversor

Alutuaçãodopontodeoperação–causadapeloindesejadoacoplamento da frequênciadaredenaparte CC – deveseramenorpossível,efeitomaisevidentenosinversoressemtransformador.

7.1.1.6. Eiciência Estáica (Staic Eiciency) – ηINV

AEiciência EstáicaéoprodutodaEiciência de ConversãopelaEiciência de Rastreamentoepodesercalculadaparaváriosregimesdecarga.

Geralmente, apenas a Eiciência De Conversão obida durante condições nominais de operação éapresentada,comoeiciêncianominal,nasfolhasdedados(data-sheets).Alémdisso,frequentemente,éexibidaaeiciência máxima,quegeralmenteéentre50%e80%dapotencianominal.

Essamáxima eiciência só e alcançada sob determinadas condições de Irradiância e temperatura,cujasvariaçõessãoresponsáveispelofrequentefuncionamentodoinversoremestadoparcialdecargaeraramenteemestadonominal.Arelaçãoentreaeiciênciadoinversor,tensãodoarranjofotovoltaicoeoregimedecargatemaltainluencianaprodução anual de energia.


Figura 80 - Curvas caracterísica de vários inversores (especiicações dos fabricantes)

As curvas de eiciência são precisas sob determinada temperatura ambiente para o inversor edependemdatensãodeentrada.

7.1.1.7. Eiciência Européia (Euro Eiciency) – ηEURO

Demaneiraa facilitara comparaçãoentre inversoresbaseando-sena suaeiciência, foi criadoumpadrãoeuropeudemediçãodaeiciência,aEiciência Europeia (Euro),queécalculadaparaumípicoclimaeuropeu.Aiguraabaixomostraafrequênciaeaenergiadediferentesclasses deradiaçãosolaremumanoípiconaAlemanha(lembre-sequeéeiciênciaeuropéia).

Figura 81 - Frequência e energia de diferentes classes de irradiância, baseado em um sistema inclinado em 30° em Munique, Alemanha

Observamos que, nessa região, raramente há irradiâncias em torno de 800 W/m², o que faz osinversores funcionarememregimeparcial.Considerandodiferentescenáriodecarga,aEiciência Euroécalculadaatravésdamédiadeeiciênciasestáicasem6regimes–carganominalemaiscincocargasparciais:

ηEURO

= (0,03 * η5%

) + (0,06 * η10%

) + (0,13 * η20%

) + (0,1 * η30%

) + (0,48 * η50%

) + (0,2 * η100%

)

Osvaloresηn%representamaseiciênciasestáicas–η100%=100%deeiciência,η5%=5%deeiciência.Osvalorescomo0,03 ou 0,48representamafraçãodoanoemqueoinversorestánaeiciênciaindicada–em48% dotempoestaráfuncionandocom50%daeiciência.

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Apesar de a Eiciência Euro oferecer um bom parâmetro de comparação entre inversores, é umconceitonãomuitoaplicávelemterritóriobrasileiro,devidoàsdiferençasentreascondiçõesclimatológicasedeIrradiânciasolar.

7.1.1.8. Comportamento em Sobrecarga

Emsistemasquenãotemumacorretaorientaçãoquemaximizeacaptaçãodaenergiasolar–comosistemadeintegraçãoarquitetônica(BIPV)–ouqueestejamsujeitosasombreamentosparciais,podeserinteressantesubdimensionaro inversor,desdequeestepossuaumareaçãoadequadaàsobrecarga,quepodeser:

1. Variaçãodopontodeoperação;

2. Limitaçãodapotência;

3. Desligamento/corte;

Quandooinversorrecebeumapotênciasuperioràsuanominal,seuscomponentesestarãosujeitosaumafortecargatérmica,oqueaivaosistemadelimitaçãodepotência(nocaso2).Quandoéaingidaatemperaturalimitedoscomponentes,algunsinversoressedesligam(caso3),outrosaivamexaustorese/ouvariamopontodetrabalho.Osipos1 e2sãoosadequadosasubdimensionamentosnascondiçõesdescritasacima.

7.1.1.9. Registro de Dados Operacionais

Amaioria dos fabricantes oferecem sistemas de aquisição dos dados de operação dos inversores,geralmenteintegradosaestes,oucomdisposiivosexternosqueapresentamdiretamenteosdadosouosenviaparaumcomputador,permiindoaavaliaçãodossistemasfotovoltaicos,emmuitoscasosemtemporeal.

Figura 82 - Disposiivos de aquisição de dados para inversores SMA

Emgeralosdisposiivoscoletamasseguintesinformações:

• Entrada:TensãoVDC,correnteI

DCepotênciaP

DC

• Saida:tensãoVAC,correnteI

AC,potênciaP

ACefrequênciaf|

• Tempo de operação

• Volume de energia gerada

• Status e falhas

Osmaisnovosmodelospossuemainda, interfacesmaismodernas, comoUSB,Bluetooth eWi-Fi,permiindoacomunicaçãodeumdisposiivocomosqueestãopróximos,eauniicaçãomaissimplesdosdadosdeváriosaparelhos.


7.1.1.10. Outras Caracterísicas dos Inversores Grid-Tie

Astabelasabaixodemonstramascaracterísicasquecostumamaparecernastabelasdedadosdosinversoresgrid-ie,esãodeextremaimportâncianahoradeescolheromelhordisposiivoparadeterminadosistemafotovoltaico.

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Parâmetro Símbolo Unidade Descrição

POTÊNCIAS

PotênciaNominalCC Pn DC

W Potência fotovoltaica para a qual o inversor foidimensionado.

PotênciaMáximaFotovoltaica

PDC max

W Máximapotênciafotovoltaicaqueoinversoraceita.

PontênciaNominalCA Pn AC

W Potência CA que o inversor pode fornecer de modoconínuo.

MáximaPotênciaCA PAC max

W MáximapotênciaemCAqueoinversorpodefornecerportempolimitado.

EiciênciaParcial η5%

% Eiciênciaparcialcom5%dapotênciaCCnominal.η

10%% Eiciênciaparcialcom10%dapotênciaCCnominal.

η20%



η50%



η110%

% Eiciênciaparcialcom110%dapotênciaCCnominal.EiciênciaEuro η

EURO% Vejasessão7.1.2.4

Eiciênciapordiferençadetemperatura

ΔηT

%/C Reduçãodaeiciênciaportemperaturaambienteacimade25°C.

FatordePotência Cos φ Fatordecontroledapotênciareaiva,quedeversermaiorque0,9.

Potênciadeaivação PON

W Potênciafotovoltaicaparaligaroinversor.Potênciadedesaivação P

OFFW Potênciafotovoltaicaondeoinversoréautomaicamente

desligado.

PotênciaemStand-By PSTAND-

BY

W Energia (da rede) consumidapelo inversor emmododeespera,antesdeentrarnomodonoturno.

Potêncianoturna PNIGHT

W Energia (da rede) consumida pelo inversor em modonoturno.

TENSÕES

TensãoCCNominal VnDC

V Tensãofotovoltaicaparaaqualoinversorfoidesenvolvido.FaixadeTensõesMPP V

MPPV Intervalodetensõesdeentradaondeoinversorsegue o

pontodemáximapotência

TensãoCCMáxima VDCmax

V Tensãofotovoltaicamáximaqueoinversorsuporta.Tensãodedesligamento VDCof V Mínima tensão fotovoltaicaparaaqualo inversor ainda

opera.

FaixadeTensãoCA VAC

V Faixa de tensão da rede em que o inversor opera, seajustandoautomaicamente.

TensãoCANominal VnAC

V Tensãonominaldoinversor,queparaospadrõeseuropeusé230V.

CORRENTESCorrenteCCNominal I

nDCA Correntefotovoltaicaparaaqualoinversorédimensionado.


CorrenteDCMáxima IDCmax

A Máxima corrente fotovoltaica que o inversor suporta naentrada.

CorrenteCANominal InAC

A Máxima corrente que o inversor injeta na rede dedistribuiçãodemodoconínuo.

CorrenteCAMáxima IACmax

A Injetadanaredeemcurtoperíodo.Fator de DistorçãoHarmônica

k % Fator de qualidade da corrente e/ou tensão injetada narede. Calculada a parir da razão entre o valor RMSdascomponentes harmônicas e a fundamental. Deve serinferiora5%.

OUTROSNíveldeRuido dB(A) Deacordoaoipoeclassededesempenho,váriosníveis

deruídoemoperaçãopodemsergerados,oquedeverserconsideradonaescolhadolocaldeinstalação.

Dimensões/Volume h, l, w m ou mm Altura(height),largura(width),profundidade(length).Faixadetemperatura T °C Em relação à classe de desempenho e ipo, há várias

faixasdetemperaturadefuncionamento,quedevemserconsideradasnahoradaescolhadoinversor.

7.2. Painel Fotovoltaico Para Sistemas On-Grid

AconiguraçãoelétricadopainelfotovoltaicoestáinimamenteligadaàformadetrabalhodoinversorGrid-Tieescolhidoparaoprojetodosistema.

A coniguração mais comum atualmente é a de alta tensão de entrada para os inversores semtransformador.Os inversoresdeileira (string-inverters), compotênciasnominaisentre1 kWpe3 kWp,querequeremileiras(strings)comassociaçõesde6a18módulos,sãoosmaisuilizadoseminstalaçõesresidenciaisoucomerciaisdepequenoemédioporte.Deveserlevadaemconsideraçãoatensãomáximasuportávelpelosmódulosqueé,geralmente,emtornode600V.

Ospainéisfotovoltaicosparainversoressemtransformadornecessitamdeumsistemadeproteçãoelétricamaisaprimorado,masalgunsfabricantesjáincorporamemseusprodutosessasproteções,icandoparaaequipedeinstalaçãomontarascaixasdejunçãodeileirasoupainéis.

7.2.1. Caixas de Junção

Essascaixasestanquesterãoemseuinteriortodososelementosdeproteçãodasileirasemódulos:

• Fusíveis,queprotegerãooscabosdeexcessosdecorrente.

• Diodosdebloqueio,queprotegerãoasileirasemódulosemcasosdesombreamentoparcial.

• Disposiivosdeproteçãocontrasurtos,imprescindíveistantodoladoCC(painelfotovoltaico),quantodoladoCA(redededistribuição).

• InterruptorDC,quepermitaodesligamentodopainelouileiraparatarefasdemanutenção.

Parafacilitaraconexãodosmódulosemumpainel,algunsfabricantesdemateriaiselétricospossuementreseusprodutos,caixasdejunçãoprontas.Estascaixasdejunçãojávêmcomtodososelementosde

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proteção,dentrodeumacaixaestanque,queestádeacordoàsváriasnormasinternacionais.

Figura 83 - Caixa de junção comercial

Ascaixasdejunçãopodemserdeileiras(string-box)oudepainel/arranjo(array-box)ejápossuemosterminaisparaaconexãodiretadoscabos,uilizandoosconectorespadrãoMC3,MC4ouTyco.AgrandemaioriajápossuiointerruptorgeralDC.

7.2.2. Conigurações e Conceitos

Ossistemasfotovoltaicoson-gridsão limitadospelaáreadisponível. Istoquerdizerque,duranteaconcepçãodosistema,épossívelaarquiteturadesistemasdequalquertamanhoecapacidade.Nospaísesquepossuemincenivosàinserçãodeenergiasrenováveis,acapacidadeinstaladapodeinluenciarnopreço da eletricidade,oquefazosprojeistastomaremcuidadosespeciaisquantoàpotênciainstalada.

Vejamosagoraalgunsconceitosdesistemasfotovoltaicos,quepodemseruilizadoscomobaseparaváriosprojetos.

7.2.2.1. Sistemas com Inversor Central

Nossistemascominversorcentral,umúnicoinversortoma contadoarranjofotovoltaico.Podemserclassiicadosdeacordoàformacomooinversor(ouinversores)sãointegradosaoprojeto.

7.2.2.1.1. Sistema com baixa tensão de entrada (<120 VCC)

Éuilizado com inversores com transformador.As correntes elétricas sãomaiores,mas as tensõessãomenores.Porpossuíremileirascommenosmódulos,sãomenosprejudicadospelossombreamentosparciais.Devidoàgrandequanidadedeileirasemparalelo,temmaioresperdasdecorrenteedemandamcabeamentocommaiorseçãotransversal.


Figura 84 - Sistema com Inversor central com transformador.

7.2.2.1.2. Sistemas com Alta Tensão de Entrada (>120 VCC)

Uilizadocomosinversoressemtransformador.Astensõessãomaiores,commaiorriscodechoqueelétrico.Ascorrentessãomenores,oquereduzasperdasporefeitoJouleeabitoladoscabos.

Figura 85 - Sistema com alta tensão de entrada (120 VCC)

NesteipodeconiguraçãoénecessáriosistemasdeproteçãoClasse II,devidoàausênciadoisolamentoproporcionadopelotransformador.Tambémsofremmaiscomossombreamentosparciais,poisasileirassãomuitolongas,ecasoummódulovenhaarecebersombra,umaparcelamuitograndedapotênciadopaineldeixadesergerada(aileirainteirapodefuncionarabaixodoesperado).

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7.2.2.1.3. Sistema Mestre-Escravo (Master-Slave)

Nocasodesistemasgrandes,épossívelousodeváriosinversoresqueentramemfuncionamentodeacordoaoníveldeIrradiânciaSolar.Umdosinversoresestáligadootempotodoe,àmedidaqueaumentaopotencial solar,aivaosdemaisinversores,quetambémsãodesaivadosemcasodebaixaIrradiância. Para evitar o excessivo desgaste de apenas um inversor, acontece automaicamente umrevezamentodequalinversoréomáster.

Figura 86 - sistema com coniguração master-slave

7.2.2.2. Sistemas de Grupos de Módulos

Nocasodearranjoscompainéisdediferentesorientações,inclinaçõesousombreamentosparciais,é recomendável o uso de um inversor para cada grupo, o que permite ummelhor aproveitamento dascondiçõesdeirradiação.Asprincipaisvantagensdesseipodesistemasãolistadasaseguir:

• OmissãodacaixadejunçãoPV

• OmissãodocaboprincipalDC

• Reduçãonocabeamentoparaasligaçõesemsérie

Osinversoressãoinstalados,geralmente,próximosaospainéis.Devidoaissodevemteraltograudeproteção–IP65.Mesmoconsiderando-seessaproteção,ascondiçõesdeclimáicasmaisadversaspodemcausarfalhasediminuiravidaúildosinversores.Porissoérecomendávelquesejaminstaladosemlocalprotegidodaradiaçãosolardiretaedeoutrasintempéries.

Auilizaçãodeinversoresdegruposdemódulosfacilitaainstalaçãodossistemasfotovoltaicosereduz,emcertoscasos,oscustosdeinstalação.


Figura 87 - Sistemas de Grupos de módulos

Sistemaaté3kWpsão,emsuagrandemaioria,concebidosnoconceitodegrupos(oucadeias)demódulos,uilizandoinversoresdeileiras(string-inverters).

7.2.2.3. Sistemas com Módulos CA

Nesse ipo de sistema é uilizado um inversor para cadamódulo, consituindo ummódulo CA, jádisponívelnomercado.Existeminversoresdetamanhoreduzidoobastanteparacabernacaixadeconexãodomódulo.Cadamódulotendoseupróprioinversorpermitequetrabalhememseupontodemáximapotênciaindividualmente,oquenãoaconteceemoutrasconigurações.Outravantagemestánamodularidade,quepermiteumaexpansãodosistemaqueemoutrosconceitosnãoseriatãosimples.

ComodesvantagemdosmódulosCA,podemoscitaramenoreiciênciadosmicro-inversoresemrelaçãoaosdegruposdemóduloseseupreçoaindaproporcionalmentesuperioraodosinversoresconvencionais.Esseconceitoéinteressanteparaocasodesistemasfotovoltaicosintegradosàarquiteturaemquesãomaiscomunsossombreamentosparciais.

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Figura 88 - sistemas com módulos CA

Figura 89 - Micro inversores para módulos PV



Autônomos

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8. Sistemas Fotovoltaicos Autônomos

Umsistemafotovoltaicoisolado(of-grid)éaquelequenãoestáemcontatocomaredeelétricadaconcessionária.Umsistemaisoladopodeserfeitonumacidadesemproblemaalgum.O“isolado”donomedizrespeitotambémaoafastamentodaredeelétrica.

8.1. Painel Fotovoltaico

O painel fotovoltaico para sistemas autônomos é conigurado para fornecer tensõesentre 12 e 48 volts, sendo as tensões de 12 V e 24 V as mais comuns, enquanto a tensão de 48 Volts é uilizadaem sistemasmaiores.Opainel é dimensionadopara forneceropotencial elétricoparaumdiamédiodeuso.Essaenergiaseráarmazenadaembateriasouuilizadaimediatamente,nocasodossistemasfotovoltaicossemarmazenamento.

Figura 90 - Painel fotovoltaico 24 V de sistema autônomo

Geralmentesãouilizadosmódulosde36ou72células,quetemastensõesnominaisadequadasparaoscontroladoresdecargasemMPPT.Alémdisso,osmódulosparasistemasisolados,nãopossuem,emsuagrandemaioria,cabosdeconexãocomconectorespadrão.

8.2. Banco de baterias

Umbancodebateriaséconsituídoporumaquanidadecalculadadeelementosconectadosemseriee/ouparalelo,quefornecerãoapotênciademandadapelascargas,noperíododeautonomiaemquedevemfuncionarsemreceberrecargadoarranjofotovoltaiconosdiasseminsolação.


Figura 91 - Banco de baterias em uma grande central PV

8.2.1. Funções do banco de baterias

Emsistemasisolados,abateriastemasseguintesfunções:

• Autonomia:essaéafunçãomaisimportante,queésupriraenergiaparaosconsumos,quandoo painelnãoécapazdegerarenergiasuiciente.Issoacontecetodasasnoites,etambémnosperíodoschuvososounublados,quepodemvariaduranteodia.

• Estabilizar a tensão:osmódulosfotovoltaicostemumagrandevariaçãodetensão,deacordoàirradiânciarecebida.Aconexãodecargasdeconsumodiretamenteaosmódulospodeexpô-losatensõesmuitoaltasoumuitobaixasparaoseufuncionamento.Asbateriaspossuemumafaixadetensõesmaisestreitaqueosmódulosfotovoltaicos,egaranirãoumafaixadeoperaçãomaisuniformeparaascargas.

• Fornecer correntes elevadas:abateriaoperacomoumbufer,fornecendocorrentesdeparidaelevadas.Algunsdisposiivos(comomotores)requeremaltascorrentes(de4até9vezesacorrentenominal)parainiciaroseufuncionamento,estabilizandoeuilizandocorrentesmaisbaixasdepoisdealgunssegundos.Outrosdisposiivosmaisvorazesentrarãoemfuncionamentoporcurtoperíododetempo,masconsumirãomuitapotência.Asbateriasfornecerãoessaaltapotênciamomentânea,eserãocarregadaslentamentepelopainelfotovoltaicoduranteodia.

8.2.2. Baterias para Sistemas Fotovoltaicos

Asbateriasparausofotovoltaicocostumamserdechumbo-ácidooudeníquel-cadmio.Asbateriasdeníquel-cádmiosuportamdescargasmaioresetemmaiorvida-úil,masseualtocustoebaixadisponibilidadeastornamviáveisemsistemasmuitoespecíicosquenecessitamdealtaconiabilidade.

Outrosiposdebaterias,comoasdeÍonsdeLíio,nãosãoviáveisparasistemasfotovoltaicos,devidoàcapacidadedosbancosdebateriasparaessaaplicação.Éarelaçãocusto-beneícioquefazcomqueasbateriasdechumbo-ácidosejamasescolhidasparaamaioriadossistemasPVisolados.

Comosãoasmaisuilizadas,asbateriasdechumbo-ácidoserãooobjetodonossoestudoaparirdeagora.

8.2.2.1. Consituição e funcionamento de uma Bateria de Chumbo Ácido

Bateriasde chumbo-ácido são consituídasdecélulas individuais – tambémchamadasdepilhas –comtensãonominalde2Vcadauma,quenasbateriasemmonoblocosãoligadasemsérieparaalcançaratensãonominal.(6célulasconsituemumabateriade12volts).

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Cada célula é consituída basicamente por duas placas demetais diferentes (uma posiiva, outranegaiva)isoladasporseparadoreseimersasemumasoluçãoaquosadeácidosulfúrico(H

2SO

4).Asplacas

são eletrodos de chumboem formatode grade coma funçãode segurar a matéria aiva e conduzir acorrenteelétrica.Éamatéria aivaporosaquearmazenaaenergia,comsuaestruturaesponjosafornecendoáreadesuperícieparaareaçãoeletroquímica.Nabateriacarregada,amatériaaivadaplacanegaivaéochumbo(Pb)eamatériaaivadaplacaposiivaéodióxido de chumbo(PbO

2).

Figura 92 - Bateria de chumbo-ácido

Aosefecharumcircuito,oselétronsluemdopolonegaivoparaopoloposiivo,provocandoumareaçãoquímicaentreasplacaseoácidosulfúrico,quelevaàformaçãodesulfato de chumbo(PbSO

4)nas

duas placas – reação chamadade dupla sulfatação – que consomeo ácido, tornandoo eletrólitomaisaquoso,processoquepodesermedidocomumdensímetro.

Tabela 7 - Estado de carga de uma bateria pela densidade do eletrólito.

Estado de Carga Densidade do Eletrólito

100%(plenacarga) 1,225g/cm³90% 1,216g/cm³80% 1,207g/cm³70% 1,198g/cm³60% 1,189g/cm³50% 1,180g/cm³40% 1,171g/cm³30% 1,162g/cm³20% 1,153g/cm³10% 1,444g/cm³

0%(descargatotal) 1,135g/cm³

QuandoosistemaPVrecarregaabateria,oselétronsluememsenidocontrário–dopoloposiivoparaopolonegaivo–revertendoareaçãoquímica.Oprocessonãoétotalmentereversível,poispequenasquanidades de sulfato de chumbo não se dissolvem, processo chamado de sulfatação que aumenta àmedidaqueosciclosdecargaedescargaacontecem,diminuindoacapacidadedabateria.Quantomaior


foraprofundidade de descarga–oníveldereaçãoquímicaqueaconteceduranteadescarga,antesqueabateriavolteasercarregada–maiorseráaperdadecapacidade.Comprofundidadesdedescargamenores,mais ciclosdecargaedescargaabateriasuportará.

Figura 93 - Expectaiva de vida úil de uma bateria pela profundidade de descarga

Aresistênciainternadeumabateriadechumbo-ácidovariadeacordoàcarga,sendomaiorquandoabateriaestádescarregadadevidaàmenorconcentraçãodeácidonoeletrólitoeàpresençadosulfatodechumbonasplacas.Àmedidaqueabateriavaisendocarregada,asuaresistênciainternadiminui,fazendocomqueabateriaaceitemelhoracarga.Porissoumabateriacommenorprofundidadededescargaduranteo cicloérecarregadamaisrapidamente.

Quandoaingeatensãoinaldecarganascélulas,abateriadeveserdesconectadadocarregador,poisseiniciaumprocessodeeletrólisedaáguapresentenoeletrólitoquelevaadoisinconvenientes:

1–Perdadeágua,quefazoácidoseconcentrarmais,setornandonocivoàsplacasatéasecagemtotalquedeterminariaoimdabateria.

2 – Liberação de oxigênio e hidrogênio. Esse úlimo, mesmo em pequenas proporções torna oambientepotencialmenteexplosivo,oque faz comqueosbancosdebateriasdevamser instaladosemlocaisvenilados.Ohidrogênioé14vezesmaislevequeoarepodeseacumularemfrestas.

Tabela 8 - Estado de carga de uma bateria pela tensão entre os terminais

Estado de carga Tensão em Circuito Aberto

100%(plenacarga) 12,72V

90% 12,48V

80% 12,42V

70% 12,30V

60% 12,18V

50% 12,06V

40% 11,88V

30% 11,76V

20% 11,58V

10% 11,34V

0%(descargatotal) 10,50V

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8.2.2.2. Tipos de Baterias de Chumbo-Ácido

Deacordoaoipodeeletrólitoeatecnologiadeconstruçãodasplacas,asbateriasdechumboácidopodeserclassiicadasem:

• Baterias de Eletrólito Liquido: as baterias mais comuns em instalações fotovoltaicas, sãocompostaspelasplacasepeloeletrólitoemestadolíquido.Essaéaconcepçãodasbateriasautomoivas,produzidasemlargaescala,porissosãoasmaisbaratasefacilmenteencontradasnomercado. Nas baterias automoivas, chamadas de baterias de parida ou SLI, sigla eminglêsparaStaring-Lighining-Igniion,oseletrodosposiivosenegaivossãogradesondesãodepositadosasmatériasaivas,chumboedióxidodechumbo.Essasbateriasuilizadasparaaparidademotores—querequeremaltascorrentes(até200 A)poralgunssegundos—nãosãoadequadasparasistemasfotovoltaicos,poissãoconstruídasparaforneceremapenasumafraçãodasuacapacidade(até10%)emdescargasmuitoaltaseperíodosmuitoscurtos.Suasplacassãomaisinaseemmaiornúmero,alémdoeletrólitopossuirmaiorteordeácido.Seforemsubmeidasaprofundidadededescargamaiorque50%,podemfalharempoucosdias.

Asbateriasparasistemasfotovoltaicossãodesenvolvidasparafuncionamentointermitente.Diferenciam-sedasanteriorespelasuacapacidadedesuportarmuitosciclosdedescarga,comdescargaprofunda.Possuemplacascommaismatéria aivaeemmenornúmero,eoácidoémenosconcentrado.Devidoaessesfatores,esseipodebaterianãoérecomendadoparaaparidademotores,oumesmoparausoemveículoselétricos.

Figura 94 - BAteria de eletrólito líquido

• Baterias de Eletrólito Imobilizado:possuemoeletrólitoimobilizado,sejanaformadegel(comaadiçãodedióxidodesilício),oupelosistemaAGM(Absorbed Glass Material),nasquaisoeletrólitoestáemformacristalinaenvoltoemesponjasdeibradevidro.

Ao contrário das baterias de eletrólito líquido, as baterias de eletrólito imobilizado nãonecessitamsereminstaladasemlocaisvenilados,poissãofechadasepossuemumsistemacomválvuladesegurançaquelimitamasaídadosgasesliberadosemcasosdesobrecargas,porissosãochamadastambémdebaterias de chumbo-ácido reguladas por válvula(VRLA,do inglês: Valve Regulated Lead Acid). Não requerem a reposição de água, por isso sãoseladasenãonecessitamdemanutenção.Oscontroladoresdecargadevemserespecíicosouajustadosparatrabalharcomasbateriasdeeletrólitoimobilizado,poisestasnãopodemrecebersobrecargas.Sãobateriascomgrandevidaúil,geralmenteodobrodavidaúildasbateriasdeeletrólitolíquido,sobasmesmacondiçõesdeprofundidadededescarga.Devidoataiscaracterísicas,sãomaiscarasqueasbateriascomuns.


Figura 95 - Bateria de eletrólito imobilizado (VRLA)

• Baterias Estacionárias de Placa Tubular (OPzS e OPzV):sãoasbateriascertasparasistemasrobustos,deusopermanenteemperíodosentre10a20anos.

PodemserdoipoOPzS,siglaemalemão(Ortsfeste Panzerplate Spezial)quesigniicaPlacaTubular Estacionária Especial,comeletrólitolíquidoeseparadoresespeciais;oudoipoOPzV(Ortsfeste Panzerplate Verschlossen)quesigniicaPlaca Tubular Estacionária Selada,quetemeletrólitoemgelereguladasporválvula.

Adiferençaentreessasbateriaseasanterioresestánaformadoseletrodosposiivos,quesãotubulares,comtubospermeáveisemtornodasvaretas,atravésdosquaiscirculaoeletrólito.Essestubosmantemamatériaaivaconinada,evitandoalgunsdosefeitosdoenvelhecimentodasbaterias(veja8.2.4),aumentandootempodevidadasbaterias.

Estasbateriastemvidaúilmuitosuperioràsbateriascomuns,massãomaisvolumosas,maispesadasetemmaiorcustodeinstalação,inclusivenospreçoscomerciaismuitosuperioresaoutrosiposdebaterias.

AsbateriasOPzSnecessitamdemanutençãoemperíodosde6mesesa3anos,enquantoasbateriasOPzVnãorequeremmanutençãoduranteasuavidaúil.

Figura 96 - Eletrodos posiivos de uma baterias OPzS

• Baterias de Bloco com Placas Posiivas Planas (Blocos OGi): as bateriasOGi (do alemão:Ortsfeste Giterplaten, que signiica: Placas Estacionárias Radiais) são doipo estacionária,comoseletrodosposiivosemformatodeplacaplanacomumaconiguraçãoqueestáentreadasbateriasdegradeeasbateriasdeeletrodotubular.Asvaretasencaixadasemumprotetorcomum,quepossibilitaafabricaçãodeplacasplanasmaisbaratasqueastubulares,mascomvidaúilmuitomaior.Oseletrodosnegaivosdeumabateria de blocosãoemformatodegrade.

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AsbateriasOGi alcançam1300 ciclos comprofundidadededescargade75%e4500 cicloscom30%dePd.Devidoàgrandereservadeácidonovaso,amanutençãoseránecessáriaemperíodosentre3a5anos.SãomuitouilizadasnossistemasPVautônomosnaEuropa,poisconseguemserrecarregadasmesmocombaixascorrentes.

Figura 97 - Placa posiiva de bateria OGi

Asbateriasestacionáriaspodemserdisponibilizadasemmonobloco(quandoosvasosquecompõemabateria estãodentrodeuma carcaçaúnica) ouemvasos independentes (quando temos vários vasos,geralmentetransparentesquedevemserligadosemsérieparaalcançaratensãonominal).Osvasostemmaiorcapacidadedecarga (emAmpèrehora),masa tensãoémenor (2voltsnominais,nasbateriasdechumbo-ácido)esãoosmais indicadosparasistemasmuitograndes.Asbateriasespeciaisparasistemasfotovoltaicos (OPzS, OPzV eOGi) são disponibilizadas, geralmente, em formato se vasos transparentes.Bateriasespeciais, pela sua tecnologia, sãodesenvolvidaspara vidaúil entre10e20anos.Asbateriasmonoblocotemvidaúilentre2e5anos.

Figura 98 - Vaso de 2V e bateria monobloco de 12V

Épossível,masnãoérecomendável,aconexãodebateriasemparaleloparaaumentodecorrente.Comooselementospodemterenvelhecimentonãouniforme,podemsurgircorrentesparasitasentreasbaterias. Em instalações de baixa potência, esse efeito não é tão nocivo quanto em instalações de altapotência.Recomendaonúmeromáximode6conexõesemparalelo.Pormoivodesegurança,recomenda-sepelomenos2blocosemparalelo.

8.2.3. Desempenho e Caracterísicas das Baterias de Chumbo-Ácido

Vejamosalgunstermosrelaivosàsbateriasquedevemosconsiderar,nomomentodeprojetarumbancodebaterias:

• Carga/Descarga:processodeconversãodaenergiaelétricaemenergiaquímicaeviceversa.


Duranteoprocessodecargaatensãodabateriaaumentagradaivamentee,depoisdecertovalor,inicia-seoprocessodegaseiicação(eletróliseeliberaçãodosgases).Próximodatensãodegaseiicação,ofabricantedeterminaovalormáximodetensãoparaacargadabateria,depoisdoqualoprocessodecargaéinterrompido.EssaéafunçãodoReguladordeCarga,queaplicaaindaatensãocorretadeacordoàtemperaturaambiente.

Àmedidaqueabateriasedescarregaatensãodiminui.Cairapidamentenoiníciodevidoàsperdasôhmicas,depoiscaiconinuamenteatéoimdacarga,quandocairapidamenteeaingeovalorlimiteaparirdoqualaconcentraçãodoácidodiminuimuitoecomeçamosefeitosnocivosdasulfatação(citadoabaixo).

• Capacidade:éaquanidadedecargaelétricaqueumabateriapodeforneceratéicartotalmentedescarregada.Acapacidadeéoprodutodadescargaconstante(I

n)pelotempodedescarga(t

n):

Cn=I

n * t

n.

Éaformaeonúmerodepilhasligadasemparaleloquedeterminamacapacidadedeumabateria.Essevalordependedatemperaturadeoperação,datensãoinaleprincipalmentedacorrentededescarga.Comcorrentesdedescargamenores,adeposiçãodosulfatonasplacasacontecevagarosamente,oquepermitemaiorpenetraçãodosulfato.Commaiorescorrentesdedescargaadeposiçãodosulfatoacontecemaisrapidamente,asmoléculassedepositamnocomeçodasplacaseatrapalhamasmoléculasseguintes.Ouseja,épossívelreirarmaisenergiadabateriaquandoéfeitauma descarga lenta,doquequandoéfeitaumadescarga rápida.Éporissoqueacapacidadenominal(C

n)dabateriatemqueserespeciicadadeacordoàcorrentededescarga,oudeacordoaotempode

descarga.

o Capacidade nominal Cn:quanidadedecargaextraíveldeumabateria(ouelemento)em

nhoras,emumatemperaturamédiade25°C,edeterminadacorrente,atéqueatensãodabateriacaiapara1,8V/elemento(10,5Vnumabateriamonoblocode12Vnominais).Seacapacidadetotaldeumabateriaforuilizadaem10horas,serádrenadaumacorrentemuitomaiordoqueseadescargaforfeitaemumperíodode100horas.UmabateriadeC

100 = 100 Ah,podeserdescarregadaem100horascomumacorrentede1 A.Se

dessabateriafordrenadaumacorrentede8 A,elaaingiráatensãoinalem10 horas.SuacapacidadeemC

10seráde80 Ah(C

10 = 80 Ah).Ofabricanteéquemindicaqualéa

capacidadenominaldabateria,sendoqueparaasbateriasestácionárias(parasistemasdebackup)édeC

10,parabateriasdeparidaédeC

20eparaasbateriasfotovoltaicasédeC

100.

o Capacidade úil:capacidadeuilizáveldabateria.Éoprodutodacapacidadenominalpelaprofundidadededescarga.

• Profundidade de Descarga:quocienteentreacargaextraídaeacapacidadenominaldeumabateria,expressaemporcentagem.Amáximaprofundidadededescarga,emumabateriadechumbo-ácido,deveserde80%.Acimadisso,abateriapodenãoserecuperareserrecarregadanovamente.

• Autodescarga:perdadecargadabateriaquandoestaestáemcircuitoaberto.Éprovocadapelaconstantereaçãoquímicanointeriordabateria.Geralmenteéexpressaemporcentagem,medidapormês.Aautodescargaémaioroumenor,segundoatemperaturanoambientedasbaterias.Devidoàessaperdaenergéica,bateriasnãopodemserarmazenadas,oudeixadassemrecarga,emsistemasfotovoltaicosdeusoesporádico.

• Ciclo:sequênciacompletadecargaedescargadabateriaemdeterminadaprofundidadededescarga.Quantomenoraprofundidadededescarga,maisciclosumabateriasuporta.Umcicloéabertoquandoabateriacomeçaasedescarregar,eéfechadoquandoabateriaécompletamenterecarregada.Emumsistemafotovoltaicoquenãorecebeusuicienteradiaçãosolar,obancodebateriasnãoserácompletamentecarregadoeocicloconinua,comprofundidadededescargamaior.

• Corrente:assimcomoacapacidade,édeterminadabaseando-senoperíododescarga/descargadabateria:

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I20

= C20

/20 h

I100

= C100

/100 h

8.2.4. Efeitos do Envelhecimento nas Baterias

Ograndeinconvenientedasbateriaséasuacurtavidaúil,entre2e6anos(de10a15anos,paraasbateriasfotovoltaicasespeciais).Osmoivosdavidaúilreduzidasãoosprocessosdeenvelhecimentosofridos pelos elementos. Esses processos reversíveis ou não, que podem se inluenciar e intensiicarmutuamente,sãolistadosaseguir:

• Estraiicação do Eletrólito (reversível):comoprocessodecargaedescarga,oácidonoeletrólitotendeadescerparaofundodabateria,devidoàsuamaiordensidadeemrelaçãoàáguaqueéliberadanoprocesso.Duranteoprocessoderecarga,oácidovaiserecombinandocomaágua,masconinuamaisconcentradonaparteinferior,provocandomaiordiferençadepotencialemaiordesgastenaparteinferiordascélulas.Paraevitaraestraiicaçãoérecomendávelumapequena gaseiicação controlada do eletrólito, através de uma carga de equalização, queconsisteemumasobrecargaporcurtoperíodo. Oscontroladoresdecargamaissoisicadossãocapazesdeaplicarcargasdemanutenção.CasoosistemaPVnãodisponhadesseipodecontrolador,otécnicopelamanutençãodeveportarumcarregadoroutransportarabateriaparaessatarefa.

Bateriasdeeletrólitoimobilizadonãosofremesseefeitoenãopodemreceberascargasdeequalização,queasdaniicaria,alémdeoutrosriscosoperacionais.

• Corrosão (irreversível): acorrosãodagradedechumbodopoloposiivoécausadapeloaltopotencialposiivo,queprovocaoaumentodaresistênciadagrade.Ocorrecommaisfrequênciaquandoatensãoultrapassaos2,4 Vouicaabaixodos2,0 V.Asescamasdematerialcorroídoquecaemdasplacaspodemprovocarcurtos-circuitos.

• Sulfatação (Irreversível): Se a bateria não for suicientemente carregada depois de umadescarga,começamaseformarcristaisdesulfatoquenãosãomaisconveridosemchumboouóxidodechumbodurantearecarga.Comissoamatériaaivadiminuiejunto,acapacidadedecargadabateria.Aparteinferiordacélulaeamaisafetada,poisraramenterecebeumarecargatotal.

• Sedimentação (irreversível): avariaçãodevolumeduranteosprocessosdecargaedescargaprovocaodesprendimentodematériaaivaque,comaformaçãodegásnoeletrólitoicasoltoecainofundodovaso.Seoespaçoentreofundoeasplacasforpequeno,essespedaçosdematériaaivapodemcausarcurto-circuitoentreasplacas.

• Bateriasdeeletrólitoimobilizadonãosofremdesseproblema.

• Secagem (irreversível): seocorreragaseiicaçãototaldoeletrólitoeaágua(desilada)nãoforreposta,abateriasecaráenãofuncionarámais.

Bateriasdeeletrólitoimobilizadonãosofremdesseproblema.

8.2.5. Cuidados com Baterias Estacionárias:

Paraumamaiorvidaúildobancodebaterias,algunscuidadosdevemsertomados:

• Evitardescargasdiáriasmaioresque30%deprofundidade.

• Evitardescargasnoimdaautonomiamaioresque60%.

• Sempreinstalarasbateriasemlocaisvenilados(excetoasdeeletrólitoimobilizado)edeacessorestrito.

• Conferirperiodicamenteoníveldeeletrólitodasbateriasúmidas,poisasecagemdoeletrólito


determinaoimdabateria.

• Manterosterminaislimposeapertados,evitandoaumentoderesistênciaoupossibilidadedecurto-circuitocausadopeloacúmulodesujeiraúmida.

• UsarEPIduranteotrabalhocomasbaterias.AsbateriassãoamaiorfontedeperigonumainstalaçãoPVautônoma.Asmedidasdesegurançasãoaplicadastantoàsparteelétrica,quantoàpartequímica,poisoácidosulfúricoénocivoparasereshumanoseparaomeioambiente,podendoprovocarsériasqueimadurasemcontatocomapele.Osolhosenarinasdevemestarprotegidosduranteomanuseiodasbaterias.Asbateriasdeeletrólitoimobilizadotêmavantagemseremmenoscríicasquantoàsegurança.

• Fazermanutençãoperiódica,nomínimoacada6meses,aouilizarbateriasdeeletrólitoúmido.Nasbateriasdeeletrólitoimobilizadoérecomendávelamanutençãoanual.

• Evitarbateriasautomoivasparaaconcepçãodobancodebaterias,poisnãosãoadequadaseterãoquesersubsituídasemperíodosmuitocurtos.

Quantoàreciclagem,oBrasiljátemlegislaçãoqueexigequeofabricanterecolhaumabateriaparacadaunidadevendida.

Ochumboeacarcaçapodemserrecicladosparaacriaçãodeumanovaunidade,enquantoosrestosdeácidopodemsertratadosantesdeseremdepostos.Essesprocedimentosminimizamoimpactoambientaldeseuilizarasbateriasdechumboparaacumularenergiaeminstalaçõesfotovoltaicosautônomas.

8.3. Controlador/Regulador de Cargas

Emumsistemafotovoltaicoautônomo,atensãodoarranjofotovoltaicodevesercompaívelcomatensãonominaldobancodebaterias,quecostumaserde12 V,24 V,ou48 V.

O controlador (ou regulador) de carga/descarga aumenta o rendimento do sistema fotovoltaico eavidaúil(quanidadedeciclos)dasbaterias.Astensõesdecargaeequalizaçãodevemsermaioresqueatensãonominal,podendoseremtornode14,4 Vnumabateriacomtensãonominalde12 V.Módulosstandard,com36 a 40célulasfotovoltaicasdesilíciocristalizado,geramtensõesnominaisentre15 Ve18 V. Comoaumentodatemperatura,atensãodosmódulosPVdiminui,masaindaassimdevesermaiorqueatensãodecargadasbaterias.Quandoatemperaturaémenor,atensãoempontodemáximapotência(Vmpp)domódulocitadoacimaserádeaproximadamente21 Veatensãoemcircuitoabertoseráde25 V,ultrapassandoolimitemáximodetensãopararecargadasbaterias.Umcontroladordecargamedeatensãodasbateriaseasprotegedesobrecargasindevidas,deumadasseguintesformas:

• Desconectando o arranjo fotovoltaico quando sua tensão ultrapassa a tensão limite pararecarga,comofazemoscontroladoresemsérie.

• Aplicandoumcurto-circuitonoarranjoPVatravésdeumcontroladorshunt.

• Ajustandoatensãodoarranjo,comofazemoscontroladorescomMPPT.

Quandoonívelde irradiânciaébaixo,oníveldetensãodoarranjoPVserá inferioràdasbaterias,fazendocomqueasbaterias sedescarreguem nosmódulos. Paraevitar isto,os controladorespossuemdiodosdebloqueiointegrados.

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Figura 99 - Controladores de carga

Asfunçõesfundamentaisdeumcontroladordecargasão:

• Controledaperfeitarecargadobancodebaterias.

• Proteçãocontrasobrecargasindevidas.

• Proteçãocontradescargaexcessiva(acimade80%,ouajustável).

• Informaçãodoníveldecargadobancodebaterias.

Omelhorfuncionamentodasbateriasparaumlongoperíododevida,requercertainteligênciadoscontroladoresdecarga,quedevemseadequarastensõesdecarga,aoníveldecarga,idade,temperaturadeoperaçãoeipo(gel,eletrólitolíquido,etc.)debateria.

Comoatensãoderecargadevevariaremfunçãodatemperatura,oscontroladoresdecargadevempossuirumsensor,queseforintegradoaocontrolador,essedeveserinstaladopróximoaobancodebaterias.Emalgunsmodelososensoréexterno,permiindosuainstalaçãosobreasbaterias.

OscontroladoresdecargaedescargapossuemumsistemadeDesconexão em Baixa Tensão (LVD—Low Voltage Disconnect),queprotegemasbateriasdedescargasexcessivasqueevitamprofundidadesdedescargamaioresque80%.Essaproteçãoéaivaquandoatensãodobancodebateriascaiabaixodedeterminadovalor,epodeserajustadoemalgunsmodelosdecontroladores.

Oscontroladores suportamcorrentes limitadas, tantodeentrada (doarranjo fotovoltaico),quantodesaída (dascargasCC).Possuemfusíveisdeproteçãoparaoscomponentessensíveiscontraoexcessodecorrentee,geralmentepossuemomesmolimitetantonaentradaquantonasaída.Oscontroladorescomerciaistemcapacidadequevãode5 Aaté60 A.Paraarranjosfotovoltaicosmaiores,podemseruilizadosvárioscontroladoresemparalelo,ouoarranjoédivididoempainéis menoresligadosaomesmobancodebaterias.Estaúlimaconiguraçãodámaissegurançaelexibilidadeaosistemapois,nocasodefalhadeumdospainéis,osdemaisconinuamfornecendopotencial.Nosdoiscasos,nãoérecomendadoousodecontroladoresdiferentes.


8.3.1. Formas de Controle de Carga

De acordo à forma como controlam a carga do banco de baterias, os controladores podem serclassiicados em: controladores série, controladores shunt ou controladores com MPPT. Vejamos ofuncionamentodecadaumdessesipos.

8.3.1.1. Controladores Série

Quandoobancodebateriasalcançaatensãomáximadecarga,esseipodecontroladordesconectao arranjofotovoltaicoatravésdeumrelêouumachave de estado sólido,voltandoaconectaroarranjoPVquandoatensãocaiparadeterminadovalor.Essasconexõesedesconexõescriamumaoscilaçãodetensãopróximaàtensãomáximadecarga,mastambémcriaperdasdeenergia.

Figura 100 – Esquema de funcionamento de um controlador de carga do ipo Série

8.3.1.2. Controladores Shunt

Umcontroladorshuntreduzconinuamenteapotênciadoarranjofotovoltaico,aparirdomomentoem que a tensãomáxima de carga é alcançada. Como o arranjo coninua gerando energia, a correnteexcedenteéusadacomocorrente de curto circuitonoarranjoPV,quepodetrabalharemcurtocircuito–sofrendoapenasumleveaumentodetemperatura.Esteéométodoidealparaasbaterias,poisarecargaéfeitadeformaseguraeeiciente.

Figura 101 - Esquema de funcionamento de um controlador de carga do ipo Shunt

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8.3.1.3. Controladores com MPPT

Comoéatensãodasbateriasquedeterminaopontodeoperaçãodoarranjofotovoltaico,fazendocomestestrabalhemforadopontodemáximapotêncianamaiorpartedotempo,oscontroladoresdecargadoiposhuntousérienemsempreconseguemaproveitaromáximodaenergiasolardisponível.Asperdasenergéicaspodemicarentre10%e40%,deacordoàtensãodasbaterias,dairradiânciaedatemperatura.Essasperdaspodemserevitadasaoseuilizarumsistemadeseguimento do ponto de máxima potência

(MPPT)queé,basicamente,umconversorDC/DCregulado.AregulageméfeitaporumMPPTqueacada5minutos(aproximadamente)estudaacurvacaracterísicaI-Vdoarranjofotovoltaicoedeterminaoponto de máxima potência, regulandoo conversorDC/DCpara aproveitar aomáximoapotênciado arranjo eajustando-oemfunçãodatensãodecargadasbaterias.AeiciênciadoconversorDC/DCestáemtornode90% a 96%.

Figura 102 - Esquema de funcionamento de um controlador com MPPT

OusodecontroladoresMPPTsóéeicienteemsistemacompotênciapicosuperiora200Wp,poisempotênciasmenoresasperdasnoconversorDC/DCsãomaioresqueosganhos.Devidoàmaiorcomplexidadeesoisicaçãodocircuitoeletrônico,oscontroladoresMPPT sãomaiscarosqueoscontroladoresdoipoSérieouShunt,eseuusoébenéicoemsistemacompotênciapicosuperiora500Wp.

8.3.2. Critérios de Seleção de um Controlador

Nahoradeescolheroregulador/controladorparaumsistemafotovoltaico,levamosemconsideração:

• Tensão Nominal do Sistema PV:ocontroladordevetertensãonominaligualàtensãodobancodebaterias,queéatensãonominaldosistemafotovoltaico,queéquemdeterminaomododeassociaçãodosmódulosfotovoltaicosedasbaterias.

• Corrente de Curto Circuito do Arranjo Fotovoltaico:oscontroladoresdevemsercapazesdereceberatotalidadedecorrenteenviadapeloarranjofotovoltaico,queéacorrentedecurto-circuito.Acorrentedecurto-circuitodoarranjoéasomadascorrentesdosmódulosligadosemparalelo.Deve-seconsiderarumfatordesegurançaentre10%e25%,ealigaçãodefusíveisentreoarranjoPVeocontroladordecarga.

• Corrente de Saída:nocasodecargasCCligadasaocontrolador,deve-seconsiderarumfatordesegurançaentre10% e25%paraacorrentequevaidasbateriasparrasessascargas.Paracalcularacorrentedesaída,somam-seascorrentesdeparidadetodasascargasquefuncionarãosimultaneamente.

Fabricantesdecontroladoresdecarga:ATTTBB,Heliotrope,Mastervolt,MeyerSolarTechnologic,Morningstar,Phocos,Reusolar,SchamsElectronic,Solarwat,Steca,SunSelector,SunWare,Trace,UhlmannSolarelectronic,Xantrex.


8.4. Inversores Autônomos

Nossistemasfotovoltaicos,ageração,armazenamentoedisponibilizaçãodaeletricidadeénaformadecorrente conínua (CC).Paraauilizaçãodeaparelhosque funcionamcomcorrentealternada (CA)énecessárioumconversorquetransformeacorrenteconínuacomtensõesentre12 Ve48 V,emcorrentealternadacomtensõesde127 V ou 240 V.EssaéafunçãodosInversores Autônomos,uilizadosemsistemafotovoltaicosisolados.

Figura 103 - Inversores para uso fotovoltaico.

8.4.1. Caracterísicas dos inversores Autônomos

Ascaracterísicasdesejáveisparaaescolhadeumbominversorparaumsistemafotovoltaicoautônomosãolistadasabaixo:

• Boa eiciência na conversão elétrica:.Érecomendadoqueo(s)inversor(es)tenha(m)eiciênciaacimade80%. Aeiciênciamáximadeuminversoracontece,geralmente,quandoesteestáfornecendoentre50%e70%desuacapacidadenominalconínua.Inversoresmaissoisicadosconseguemaltaseiciênciasmesmoquandoparcialmentecarregado,oucomcargapróximaàmáximanominal.

• Alta capacidade de sobrecarga: um inversor deve ser capaz de fornecer uma potênciainstantânea bemmaior que a potência nominal, o que permiirá a parida de disposiivoselétricosqueconsumamaltacorrentedeparida(ex.:motores),semanecessidadedesuperdimensionaroinversornafasedeprojeto.

• Tolerância para as lutuações de tensão das baterias:duranteosprocessosdecargaedescarga,atensãodasbateriasvariadetalmaneira,quepodesernocivaadisposiivosmaissensíveis.

• Baixo autoconsumo:(quandoemstand-by)edetecçãoautomáicadecargas.

• Proteção contra curto-circuito na saída CA.

• Altaproteçãoeletromagnéica.

• Baixa distorção harmônica: se refere à qualidade da forma de onda de saída da correntealternada.Quantomenoradistorção,maisqualidadetemacorrentedesaída.

• Proteção contra surtos.

Algunsinversorespossuemumsistemapossuemumsistemadecontrolequelhespermitecarregarobancodebateriasporumafontedeenergiaelétricaemcorrentealternada.Essesinversores,chamadosdeinversor-carregador,nãosãoinversoresgrid-ieenãopodemseruilizadosemsistemaon-grid.

TiposdeInversores

Deacordoaoformatodeondadesaídaosinversoresautônomospodemserclassiicadosem:

• Inversores de onda quadrada:Sãoosmaisbaratos.Aondadesaídatemumagrandequanidadedeharmônicosindesejados,quegeraminterferênciasemalgunsaparelhos,etambémperdasdepotência.Costumamseruilizadoscomcargaspequenas (ex.:tv’s,notebooks,etc.)enãosão

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adequadosparamotores.Temdistorçãoharmônicaquepodechegaraaté40%,erendimentosemtornode60%.

• Inversores de onda senoidal modiicada:Sãoosqueapresentamamelhorrelaçãocusto-beneício.Oformatodaondadesaídanãoéumasenóidepura,masseaproximamuito.Podemalimentarquasetodoipodecarga,masnãosãorecomendadosparaaparelhoseletrônicosmaisdelicados.Temdistorçãoharmônicaemtornode20%,erendimentosemtornode90%.

• Inversores de onda senoidal pura:Sãoosquetêmformatodeondadesaídaigualàredeelétricadasconcessionárias.Sãoindicadospraalimentardisposiivoseletroeletrônicosmaissensíveiseatualmenteestãosendomaisuilizadosqueosoutrosiposdeinversores.Nãoapresentamproblemasquantoadistorçõesharmônicasouestabilidadedatensão.Sãomaiscarosqueosinversoresdeondaquadradaousenoidalmodiicada.

8.4.2. Critérios de Seleção de Inversor Autônomo

Fontesdeenergiaemcorrenteconínuade12 V ou 24 Valcançamseuslimitesquandoénecessárioalimentarcargasmaispoderosasouquandoénecessárioumsegmentodecabomuitocomprido.Baixastensõesrequeremaltascorrentesparaforneceremomesmopotencialelétrico,eissodeterminaousodecabeamentocomgrandeseçãotransversal.Soma-seaestesfatoresanãodisponibilidadedamaioriadoseletrodomésicos eoutros aparelhos em corrente conínua. Emalguns casos, atémesmoos sistemadeiluminaçãoicamaiseiciente,sealimentadoporuminversor.

Emsistemasfotovoltaicosautônomos(isoladas)oinversoréconectadodiretamenteàbateria,desdequepossuasistemadedesconexão por baixa tensão(LVD).Essesinversoressão,geralmente,monofásicosemtensãode110/115volts(padrãoamericano)comfrequênciade60Hz,etensãonominaldeentradade12e24volts.Temosnomercadograndedisponibilidadedeinversoresemváriaspotências,quevãodesdealgunsWatsatéquilowats.Osinversoresparapotenciasmaioresque500 Wgeralmentepossuemtensãodeentradade24 V.Inversoresacimade5 kWdepotência,geralmente,temtensõesdeentradaigualoumaiorque48 V.Osinversoresinluenciamdiretamenteatensãonominaldsistemafotovoltaico,poisnãoérecomendáveluilizarumconversorCC/CC,oquebaixariaorendimentoglobaldosistemaPV.

Paraaescolhadapotêncianominaldoinversor,uilizamosaseguinteequação:

Onde:

PI =Potêncianominaldoinversor

WAC=PotênciadascargasCAligadassimultaneamente

FS=Fatordesegurança.

Ofatordesegurançaserádimensionadodeacordoàquanidadedecargascomaltaspotênciasdeparida,comogeladeira,lavadoraderoupas,ferramentaseoutrosmotores.

Sistemas fotovoltaicos autônomos residenciais podem se beneiciar do uso de vários inversores,dividindoascargasdeacordoaoperildeusoesimultaneidade.Comoexemplo,poderiatodoocircuitodosistemadeiluminaçãoestarconcentradoemuminversordemenorcapacidade;osaparelhoseletrônicoscomuns às salas de estar poderiam ser ligados a outro inversor; a geladeira poderia ter um inversordevidamente calculado para as suas necessidades; enquanto os pequenos eletrodomésicos comuns àcozinhapoderiafazerusodoinversordedicadoàlavadoraderoupasemicro-ondas,quenãosãoaivadossimultaneamente.Talconiguraçãopodetornarosistemamaisconiável,alémdemaisbaratoemalgunscasos,poisuminversorquesuportassetodasascargasseriamaiscaroqueváriosinversoresmenores.

t


Figura104-Esquemadeligaçõessimpliicado.


Dimensionamento de

Sistemas

Fotovoltaicos Autônomos.


9. Dimensionando Sistemas Fotovoltaicos Autônomos

NestecapítulofaremosodimensionamentodeumSistemaFotovoltaicoAutônomo.

OexemplodecálculoseráumpequenosistemaquesuprirádeenergiaelétricaumapequenaresidênciaruralsituadanasproximidadesdaCidadedeSãoPaulo.

ParadeinirtodososelementosquecomporãoSFAemquestãovamosseguirumalógicaderaciocínionocálculodecadacomponente,segundoalistaaseguir:

1. CaracterísicasdoSistemaFotovoltaico.

1. Demandadiáriamédia

2. Potênciado(s)Inversor(s)Autônomo(s)

2. BancodeBaterias.

1. CapacidadeÚil

2. Profundidadededescarga

3. CapacidadeReal

4. Coniguraçãodoselementos

3. PainelFotovoltaico.

1. Disponibilidadesolar

2. Potencialsolarnoplanodopainelfotovoltaico

3. Cálculoeconiguraçãodeelementos

4. Controlador(es)decarga

4. Cabeamento

DuranteodimensionamentodoSFAfaremosusodediversasfórmulas rápidasque,sememorizadas,permiirãoocálculorápidoemqualquersituação.

Acostume-secomasfórmulaseostermosuilizadosnestetexto.Parafacilitaramemorização,transcrevemoscadaumdostermosemumasigla.Vejasasfórmulasesiglaslogoabaixo.

Nodecorrerdoexercíciocomentadodestecapítulofaremosusodecadaumadessasfórmulas.Sepreferir(copiee)destaqueestapáginaefaçaváriosexercícios.

Ométododecálculoapresentadoaquisódeveseruilizadoparasistemasfotovoltaicosautônomosqueuilizemmódulosfotovoltaicosparasistemasautônomos(módulosStandard)de36ou72células.

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Nomenclaturas:

NB=NúmerodeBaterias

BS=Bateriasemsérie(paraalcançaratensãodeprojeto).

BP=Bateriasemparalelo(paraalcançaracapacidadedeacumulaçãonecessária).

Vi=Tensãodeoperaçãodosistema(emVolts).

VB=Tensãonominaldabateria/elemento(emVolts).

CR=CapacidadeRealdoBancodeBaterias(emAmpereshoraAh).

CN=CapacidadeNominaldaBateria/elemento(emAh).

CU=CapacidadeúildoBancodeBaterias(emAh).

Pd=Profundidadededescargadasbaterias/elementosnoimdaautonomia(40%=0,4).

ER=EnergiaRealdiária(jácomputadasasperdas).

ED=EnergiaDiáriaaserfornecidasàscargas.

R=RendimentoGlobaldaInstalaçãoemdecimal(89%=0,89).

Nm=Númerototaldemódulosfotovoltaicos.

mS =Módulosemsérie(paraalcançaratensãodeprojeto).

mP=Módulosemparalelo(paraalcançaracorrentedeprojeto).

Vi=Tensãonominaldeoperaçãodainstalação(emVolts).

=Tensãonominaldomódulofotovoltaicoescolhido(emVolts).

=EnergiaqueoPaineldeverágerardiariamente(emWh/dia)

=CorrentedeMáximaPotênciadoMóduloescolhido(emA)

=Potencialenergéicodolocaldainstalação,noplanodopainel(HorasdeSolPlenoemkWh/diaemmédiamensal)

ER=EnergiaRealdiária(jácomputadasasperdas).

HC=Energiasolarincidentenolocaldainstalação(emkWh/m²)

=Coeicientederelaçãodaenergiaincidentenumplanoinclinadoorientadoaoequador,eoplanohorizontal(chão).

Análise da Curva de CargaOprimeiropassoéaanálisedosconsumos,ondeveriicamosapotênciaeotempodeusodecadaaparelhoconsumidordeenergiaelétrica.Nocasodaresidênciarural,teremososseguintesaparelhoseletroeletrônicosquedeverãoreceberpotênciaelétrica,cadaumemseutempodeuso:

NB = BS * BP

BS =

BP =

CR =

CU =

ER =

Nm = m

S * m

P

mS =

mP =

=

HSP =


Qt Descrição Potência (Wh)

Tempo de uso (h)

Consumo Diário (Wh/Dia)

2 Lâmpadasnasala(luorescente) 9W 4h 72Wh/dia1 Lâmpadanacozinha(luorescente) 9W 6h 54Wh/dia3 Lâmpadasdoquartos(luorescente) 9W 3h 81Wh/dia1 Tv+Antenaparabólica 120W 5h 600Wh/dia

Subtotal 807 Wh/dia

NotequemuliplicamosapotênciaemWatsdoaparelhopelotempodeuso,eassimobtemososeuconsumoelétricoemWathorapordia(Wh/dia).Soma-seoconsumodetodososaparelhoseteremosopotencialelétricoqueosistemafotovoltaicodeveráforneceràscargas.Esseéoprimeirodado,eumdosmaisimportantes,paraaconcepçãodeumsistemafotovoltaico.

Todososaparelhoscitadosacimasãodeusocomumefuncionamemcorrentealternada(CA)em127Volts.PortantodeverãoserconectadosàsbateriasporintermédiodeumInversor de Corrente Autônomocomsaídaem127Volts.Antesdeveriicarnoscatálogosdefornecedores,precisamossaberapotênciadetalinversor.Paraissoveriicamosapotência instantâneaqueoinversordeverácontrolar,somandoapotênciadosaparelhosqueserãoligadossimultaneamente.Noexemploemqueestamostrabalhando,consideramosapossibilidadedetodososaparelhosseremligadoaomesmotempo:

Qt Descrição Potência (Wh)

2 Lâmpadasnasala(luorescente) 9W1 Lâmpadanacozinha(luorescente) 9W3 Lâmpadasnosquartos(luorescentes) 9W1 Tv+antenaparabólica 120W

Total 174 W

Apotênciaqueoinversordeverácontrolarseráde174 Wdemaneirapermanente.Comoosconversoresdecorrente,têmsuamáximaeiciênciaaotrabalhonafaixaentre50%e70%dasuacapacidademáxima,devemospreverumafolgaaodimensionaroinversor.Nocasoapresentadoagora,teremososeguintecálculo:

Podemosescolher,nalistadeprodutosdeumdosfornecedores,uminversorcompotênciaconínuaentre250We350W,comsaídapara127Volts.

NesteexercícioexemplouilizaremosumInversorAutônomodofabricanteXantrex,modeloProwat 250,comasseguintescaracterísicas:

Máxima Potência Conínua 250 WatsPotência de Surto/Pico 500 WatsTensão de Saída CA 115 V(padrãoamericano)Tensão de Entrada CC 12 V ou 24 VEiciência Máxima 90%Formato de Onda de Saída OndaSenoidalModiicada

Notequeofabricantenãocitaafaixademáximaeiciência,apenasoseuvalor:90%.Esseinversorautônomotem

potênciadesurto/picode500 Watseasaídaéemondasenoidalmodiicada,nãosendoadequadoparaaparidademotores.Atensãodeentradapodesertanto12Voltsquanto24Volts.Recomenda-seatensãode24Volts,poisassim a bitoladosiospoderásermenor,semquehajamperdasdepotênciaelétrica.

Devidoaofatodoinversorautônomotereiciênciamáximade90%,deve-seconsiderarumnovovalorparaaenergiaelétricaasergeradadiariamentepelosistemafotovoltaico(ED),queleveemcontaoautoconsumodoinversor.Paraisso,dividimosovalorencontradoanteriormente(807 Wh)pelovalordaeiciênciadoinversoremdecimal(0,90):

www.blue-sol.com 101

= 897 Wh/dia

Ovalormostradoacimaéoquedevechegaratéosterminaisdoinversor,emcorrentealternada,equeseráconveridoemcorrenteconínuaparaaalimentaçãodascargascalculadasanteriormente.

Devidoàsperdasemtodososelementosquecompõemosistemafotovoltaico,devemosconsiderarumpotencialacimadoesipuladoacima,noqualsejacomputadooRendimento GlobaldoSFA.OvalomédiodoRendimento Globaléde89%(0,89)queécalculadomedianteosfatoresdeperdaspossíveisqueenvolvemdesdeaperdaporconversãoeletroquímicanointeriordasbateriasatéumfatoradimensionalquelevaemconsideraçãoapossibilidadedemauuso.EssecoeicientedeperdasadimensionaléensinadonasfaculdadesdeengenhariaeéjocosamentechamadodeFC,sendoqueaquionomeamosdeCoeiciente de perdas por Veriicação(KV).CasovocêtenhainteresseemconheceroscoeicientesemetodologiadecálculodorendimentoglobaldeumSFA,entreemcontatocomoseututorepeçaodocumento:Rendimento Global.Porhoraconsideramosovalormédiopadrão:

R = 0,89

AtensãodaparteCCd(correnteconínua)doSFAseráde24 Volts,devidoaoinversorautônomoescolhido,conformeditaanteriormente:

Vi = 24 V

Aautonomiavariadeacordoaoníveldeinsolaçãodalocalidadeondeseráinstaladoosistemafotovoltaicoeoníveldesegurança,aocustodemaisbaterias.SuponhamosquerealizaremosestaestaçãogeradoraPVnumalocalidadebeneiciadapelosol,onderaramentetemosdoisdiasseminsolaçãodireta.PortantopodemosescolherumaAutonomia de 3 dias.

N = 3

9.1. Banco de baterias

ObancodebateriasserácompostoporbateriasMoura 12MF105,quesãobateriasde12 Vdetensãonominal,etemcapacidadeC

20 = 105 Ah.Amelhorprofundidadededescargaparaestemodelo(paraumtempodevida

esimadoem2anos)éde45 %.Com3diasdeautonomiaeprofundidadededescarganoimdaautonomiaem60%,temosemtornode20%deprofundidadededescargadiária,eaprojeçãodemaisde1800ciclosdecargaedescarga.

Nossistemasfotovoltaicosautônomosasbateriastrabalhamcomciclagemdiária,ouseja,sãodescarregadasedescarregadasdiariamente.Énecessárioconsideraraprobabilidadedasbateriasnão“fecharemociclo”nodiaseguinte,econinuaremsedescarregandoemumaprofundidademaior.Observandonográicodofabricantepodemos,então,esimaravidaúildabateria,combasenaprofundidadededescarga:

Figura 1 - Gráico da vida úil pela profundidade de descarga das Baterias Moura

Combasenessegráicopodemosesimarqueasbaterias‘viverão’entre2anos(300ciclos–a40%)e5anos(1800ciclos–a20%).


Seguindocomoscálculos,usaremosasseguintescaracterísicasparaestemodelodebateria:

Vb = 12 V

Cn = 105 Ah

Pd = 0,6

Estascaracterísicasvariamentrefabricantesemodelos,devidoàstecnologiasqueestesuilizamemseusdisposiivos.Osmanuaisecatálogostécnicostrazemestascaracterísicas.

Aplicação do Método de Cálculo:

Játemosdadossuicientesparacalcularascaracterísicasdeumbancodebateriasparasuprirasnecessidadesdaresidênciaensaiada:

ED = 897 Wh/Dia

N = 3

Vi = 24 V

R = 0,89

VB = 12 V

CN = 105 Ah

Pd = 0,60

VamoscalcularaEnergiaRealaserfornecidapelainstalação,queéaEnergiaDiáriasomadasasperdas:

= 1.008 ER = 1.008 Wh/Dia

SabendoaEnergiaReal,podemoscalcularaCapacidadeÚildobancodebateriaspara3diasdeautonomia:

CU = CU = = 126 CU = 126 Ah

Asbateriasnãopodemsedescarregartotalmente,poisocasionariaaimdasuavidaúil.Podemosaproveitarapenasumapartedaenergiaacumuladanasbaterias,oqueequivaleàprofundidadededescarga.PorissoaCapacidadeRealdobancodebateriasdeverásermaiorqueaCapacidadeÚil:paraque“sobre”cargaacumuladanasbaterias.Comojávimos,quantomenoraprofundidadededescarga,maisciclosdecargaedescargaabateriasuporta.SóqueumamenorprofundidadededescargademandaumamaiorCapacidadeReal,oqueencareceobancodebaterias.

Vamosaoscálculos:

CR = CR = = 210 CR = 210 Ah

PortantoobancodebateriasdeveráteraCapacidade Real de 210 Ahparaproverapotênciade1.008 Wh/Dia por

3 dias.Devidoaperdasemtodaainstalação,devemosfornecerumpoucomaisàscargas,quedemandam897 Wh/Dia.

Calcularemosaquanidade,eomodoassociaçãodasbateriasMoura 10MF105paramontarmosessebancodebaterias.


Primeiroonúmerodebateriasemparalelo:

BP= BP= =2BP=2

Teremos,portanto3bateriasemparalelo.

Vejamosaquanidadedebateriasemsérie:

BS= BS= =2BS=2

Usaremos,então2bateriasemsérie.

Jásabemosentãoonúmerototaldebaterias:

NB=BS*BPNB=2*2=4NB=4Nossobancodebateriasseráconsituídopor4bateriasMoura 12MF105,queserãoassociadasdaseguinteforma:

1–2bateriasemsérie,totalizando24V

2–2conjuntosiguaisaosanteriorescompletandoacapacidadedecarganecessária.


Dicas Importantes:

Osfabricantesdãocertasrecomendaçõesemrelaçãoaosbancosdebaterias,tantoparamaiorsegurançadossistemas,quantoparamaiorvidaúildasbaterias:

1–Evitarmaisde6ramos/blocos(bateriasemsérie)emparalelo,paraevitarosefeitosdoenvelhecimento‘nãouniforme’dasbaterias;

2–Ternomínimo2ramos/blocosemparalelo,paramaiorsegurança,nocasodeumelementoemsérieapresentarfalhas;

3–Evitarmontarbancosdebateriascomcapacidadetotalmuitomaiorqueacorrentemáximadopainelfotovoltaico.Érecomendadoqueobancodebateriastenhacapacidademáximaentre10vezesa15vezesacorrentemáximado(s)painel(eis)fotovoltaico(s),eolimitemáximode25vezesacorrentemáxima.


9.2. Painel Fotovoltaico

9.2.1. Inluência do Controlador de Carga

Háumaimportanteconsideraçãoaserfeita,quandosecalculaopainelfotovoltaico,emrelaçãoao(s)controlador(es)decargauilizado:

ControladorescomMPPT(Seguidor do Ponto de Máxima Potência)porpossuíremumconversorDC/DCentreopainelfotovoltaicoeobancodebaterias,conseguemaproveitarmelhorairradiânciaencontrandosempreopontodemáximapotência(porissoonome)efornecemumatensãoconstantecomcorrentevariável,extraindopotênciasaplicáveismesmoemsituaçõesderadiaçãoabaixodoumbral.

ControladoressemMPPT desperdiçampartedaenergiasolarnasprimeiraseúlimashorasdodia,bemcomoemperíodosdebaixainsolação.ComoNÃOseadaptamàscondiçõesdeirradiânciaetemperatura(comofazemosMPPT’s)asirradiânciaabaixodoumbralnãosãosuicientesparaaivarseuscircuitos(nocasodoscontroladoresmaissoisicados)ouvencerabarreiraimpostapelosdiodosinternodeproteção,fazendocomqueaenergiaconveridapelosmódulosnãosejaaplicadaàsbaterias.Alémdisso,aformadeatuaçãodosinversoresmenossoisicados,quenãosuagrandemaioriaédoiposérie,provocaumgrandeperdaemrelaçãoàpotênciapicodopainelfotovoltaico.

QuandoplanejamosumpainelfotovoltaicoparasistemasautônomosquepossuaumcontroladordecargacomMPPT podemosconsideraraEnergia que o Painel deve gerar(Ep)comosendoigualàEnergia Real(ER):

SeoprojetonãopossuirumcontroladordecargacomMPPTdevemosconsiderarqueaEnergiaqueoPaineldeveGerar(Ep)deveser10% superiorqueaEnergiaReal(ER)paracompensaressasperdas(eoutras)nocontrolador:

Nesteexercício,consideramosumcontroladordecargaSEMSeguidordoPontodeMáximaPotência(MPPT),porissoteremos:

9.2.2. Inluência da Disponibilidade Solar no Local

OSistemaFotovoltaicoAutônomoseráinstaladoemumafazendopróximaàSãoPaulo.Parasaberopotencialsolardequalquerlocalidade(oucidadedereferência)doBrasilfazemosusodobancodedadosdeRadiaçãoSolardoCRESESB–CentrodeReferênciaparaEnergiaSolareEólicaSergiodeSalvoBrito(www.cresesb.cepel.br).

OCRESESBdisponibilizaumaferramentadeconsultaaosdadoschamadodeSundata,disponívelatravésdoseguintelink:

htp://bit.ly/qDhZhr


ParaconsultarosdadosénecessárioinformaralaitudeelongitudedolocaldeinstalaçãodoSFA.EssainformaçãopodeseradquiridafacilmenteatravésdoGoogle®Maps®:

htp://maps.google.com.br/Apenas‘encontre’alocalidadeaserpesquisadaecliquecomobotãodireitodoseumouse,selecione:“Oqueaqui?”,eascoordenadasgeográicasaparecerãonabarradepesquisa.

LancealaitudeelongitudenoSundataparaaconsulta,queretornaráumatabelacomosvaloresdeRadiaçãoSolaremmédiamensal.


Paraodimensionamentodopainelfotovoltaicodeumsistemaautônomo,consideramosomenorvalordeRadiação,quenocasoacimaserefereaomêsdeJunho:2,94 kWh/m².dianoplanohorizontal,alémdosvaloresdaRadiaçãoemtrêsinclinaçõesdiferentes.

Asujeirasobreosmódulosfotovoltaicosétãorepresentaivanageração,queuilizamosumcoeicienteparaavaliarasuaaçãosobreageração.Emlocaisdealtapoluiçãoatmosféricasubtraímosumpercentualde5%daRadiaçãoSolardiária;emlocaisafastadosdoscentrosurbanospodemosconsiderarumganhode5%devidoàmenorabsorçãodosraiossolarespelasparículassuspensas.Podeseruilizadoofato1paraoscasosdedesconhecimentosobreosníveisdesujeira/poluiçãodoar.

NacidadedeSãoPaulo,ocoeicientedecorreçãoserádec = 0,95eopotencialenergéicocorrigido(Hc)seráde2,94*0,95,ouseja:

Hc = 2,94*0,95 = 2,79 kWh/m².dia

Geralmenteamelhorinclinaçãoparaumpainelfotovoltaicoédadapelaseguintefórmula:

β=lat+(lat/4)

β=Inclinaçãodopainelfotovoltaicoemgraus,emrelaçãoaoplanohorizontal.

lat=laitudedalocalidadeemgraus

Essafórmuladáumvaloraproximado.ObancodedadosSundatadoCRESESBsugereamelhorinclinaçãoparaopainelfotovoltaicoque,seconsideradanoprojeto,produzóimosresultados.

ComoacidadedeSãoPauloestásituadanalaitudede23,32°amelhorinclinaçãoparaumpainelfotovoltaicodesistemaautônomoé:

Β=23,32°+(23,32°/4)=29,15°≈30°deinclinação(oSundatasugere28°).

9.2.3. Inluência da Inclinação do Painel Fotovoltaico

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.


Enquantotemosumincremento(posicionandoeinclinandocorretamenteopainel)nosmesesdemenorIrradiância,teremosumadiminuição,nosmesesdemaiorirradiância(ex.:vejaofatorkparaomêsdenovembroemulipliquepeloHdessemês.OResultadoé:0,88*5=4,4kWh/m².dia.)Devemosescolherainclinaçãoquedêo máximoincrementonomesescompoucairradiação solar,masquenãoprovoqueumagrandediminuiçãonosmesescommuitairradiação solar.

K = 1,22 (nomêscommenorirradiação–Junho).

ComessesvaloresteremoscomoresultadoasHorasdeSolPico,quesãooequivalenteemQuilowatshoraincidemsobreummetroquadradodesuperícieorientadaparaoequadoreinclinada,naregião:

HSP = 2,79*1,22 = 3,4 kWh/dia (nomêsdeJunhoemSãoPaulo,emumpainelinclinadoa30°eorientadoparaoNortegeográico)

9.2.4. Calculando o número de Módulos Fotovoltaicos

ParaconstruiropainelfotovoltaicodesteexemplouilizaremososmódulosfotovoltaicosSTP050D-12/MEAdaSuntech.Essesmódulostemasseguintescaracterísicas:

Potência Pico (Wp): 50w

Tensão Nominal de trabalho (Vm): 12 v

Tensão em Máxima Potencia (Vmpp): 17,4 V

Corrente em Máxima Potência (Impp): 2,93 A

Tensão em Circuito Aberto (Voc

): 21,8 V

Corrente de Curto Circuito (Isc

): 3,13 A

Aplicandoométododecálculo,poderemossaberquantosmódulos,equalaconiguraçãoserãoadequadosao


painelsolardonossosistema:

Paraalcançaratensãodetrabalhodonossosistema,associaremosmódulosemsérie.MódulosemsérierecebemonomedeFileiras.Cadaileirateráaseguintequanidadedemódulosemsérie:

mS= è mS= Cada ileiraseráformadapor2módulosemsérie.

Calcularemosaquanidadedeileirasemparaleloparasupriracorrentenecessáriaàcargadasbateriasqueprovémenergiaelétricaaonossosistema:

mP= è mP= è

...portantoopainelterá5ileirasemparalelo.

OnúmerototaldemódulosNmserá:

Nm = mS*m

P è 2 * 5 = 10

Opainelfotovoltaicoserácompostopor10módulosSuntechSTP050D-12/MEA,inclinadoem30°eorientadoparaoNortegeográico,emSãoPaulo.

Opainelfotovoltaicogeraráumpotencialenergéicovariável,deacordoàIrradiaçãoSolarincidente.Emmesesdemaiorirradiação,opotencialserámaior,asbateriasserãocarregadasmaisrapidamente,eoexcedentedeenergiapodeserperdido,poisocontroladordesconectaráopainelfotovoltaicodobancodebaterias,apósestesertotalmentecarregado.

9.2.5. Escolha do Controlador de Carga

Ocontroladordecargaéoresponsávelporusaressaenergiaexcedenteparaastarefasdemanutençãodobancodebateriascomo,porexemplo,ascargas de equalização.Umcontroladordemáqualidadesimplesmentedesperdiçará

aenergiaexcedente.

Ocontroladordecargadeveráserdimensionadocomumfatordesegurançade25%dacorrentedecurto-circuitodopainelfotovoltaico.Opainelquedimensionamostemaseguintecorrentedecurto-circuito:

ISC

painel = mp * I

SCmodulo è I

SCpainel = 5 * 3,13 = 15,65 A

Considerandoofatordesegurança,teremos:


IE = 15,65 * 1,23 = 19,56 A (I

E =correntedeentrada)

Podemosescolherumcontroladordecargade20 A.

NocasodepossuirmoscargaemCCligadasaocontrolador,devemoscalcularacorrentedesaída(IS),levandoemconsideraçãoascorrentesdascargassimultâneaseadicionandoumfatordesegurança,tambémde25%.Nosistemaqueensaiamosnesseanexo,nãoteremoscargasemCC,eporissonãoteremosocálculodacorrentedesaída(IE).



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