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UNIVERSIDADE FEDERAL DO VALE DO SÃO FRANCISCO
CURSO DE GRADUAÇÃO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
Patrícia Oliveira Borges de Brito
DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CONECTADOS À REDE
DE DISTRIBUIÇÃO: ESTUDO DE CASO
JUAZEIRO
2016
Ficha catalográfica elaborada pelo Sistema Integrado de Biblioteca SIBI/UNIVASF
Bibliotecário: Renato Marques Alves
Brito, Patrícia.
B862d Dimensionamento de sistemas fotovoltaicos conectados à rede: estudo de caso / Patrícia Oliveira Borges de Brito. -- Juazeiro-BA, 2016.
xii 77f. : il. 29 cm Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Elétrica,
Campus Juazeiro-BA, 2016).
Orientador: Prof. MSc Antônio de Almeida Fernandes.
1. Sistemas Fotovoltaicos. 2. Energia - Fontes alternativas. 3. Coletores solares. 4. Geração de energia elétrica. I. Título. II. Fernandes, Mestre Antônio de Almeida.III. Universidade Federal do Vale do São Francisco.
CDD 621.471
UNIVERSIDADE FEDERAL DO VALE DO SÃO FRANCISCO
CURSO DE GRADUAÇÃO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
Patrícia Oliveira Borges de Brito
DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CONECTADOS À REDE
DE DISTRIBUIÇÃO: ESTUDO DE CASO
Trabalho apresentado à Universidade
Federal do Vale do São Francisco –
UNIVASF, Campus Juazeiro, como requisito
para a obtenção de titulo de bacharel em
Engenharia Elétrica.
Orientador: Prof. MSc Antônio de Almeida
Fernandes
JUAZEIRO
2016
DEDICATÓRIA
Dedico este Trabalho aos meus pais:
Antônio de Almeida Fernandes e Graciete Oliveira de Almeida Fernandes, que
sempre contribuíram em minha vida, ajudando e orientando para me tornar a pessoa
que sou hoje. Dedico em especial ao meu pai, que foi o grande motivador na
escolha do tema, sempre me encorajando para não desistir.
“A mente que se abre a uma nova ideia jamais
voltará ao seu tamanho original.”
Albert Einstein
AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus em primeiro lugar pela dádiva da vida.
Aos meus familiares pela compreensão e apoio nos momentos difíceis que
enfrentamos ao longo do curso.
Agradeço à minha fonte de inspiração em todos os momentos de minha vida que é a
minha mãe, pessoa a qual tenho maior orgulho e admiração.
Agradeço ao meu orientador por estar ao meu lado sempre que precisei, por me
conduzir da melhor forma durante o curso. Agradeço por ser minha referencia, meu
espelho de como um engenheiro deve se portar. Agradeço por ter se preocupado
em me ensinar, e por muitas vezes dedicar seu tempo a mim, me orientando e
ensinando conceitos mais básicos aos mais complexos.
Agradeço ao Professor José Américo, que ofertou uma disciplina optativa Tópicos
Avançados em Engenharia que focou em Sistemas Fotovoltaicos, que foi de extrema
importância na elaboração do meu trabalho, pois auxiliou diretamente na aquisição
de conhecimentos.
Agradeço a todos os professores do Colegiado de Engenharia Elétrica por fazerem
parte de minha formação acadêmica.
RESUMO
A crescente demanda de energia, o aumento do custo dos combustíveis fósseis e a
preocupação com o meio ambiente provocaram um avanço considerável no setor de
geração de energia à partir de recursos renováveis. O sol, pela sua omnipresença
em praticamente todos os espaços habitáveis do planeta, é uma fonte de energia
com ótimas perspectivas de geração de energia. Diversas formas de se obter
energia solar foram desenvolvidas ou pesquisadas nas ultimas décadas, reduzindo o
custo das tecnologias em questão. Dessa forma, este trabalho apresenta uma visão
geral de todo o contexto da geração de energia fotovoltaica com um estudo de caso
que apresenta um dimensionamento fotovoltaico conectado ao sistema de
distribuição elétrico.
Palavras chaves: Energia, Sol, Energia Fotovoltaica, Sistema de Distribuição.
ABSTRACT
The growing demand for energy, the rising cost of fossil fuels and concern for the
environment have led to a considerable improvement in the power generation sector
starting from renewable resources. The sun, by its omnipresence in virtually all living
spaces on the planet, is an energy source with great prospects for power generation.
Several ways to get solar energy were developed or studied in recent decades,
reducing the cost of the technologies in question. Thus, this work presents an
overview of the whole context of photovoltaic power generation with a case study that
shows a photovoltaic design connected to the electrical distribution system.
Key words: Energy, Sun, Photovoltaic Energy Distribution System.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1- Matriz Energética Brasileira. FONTE: Empresa de Pesquisa Energética - EPE ..... 17
Figura 2- Espectro de radiação eletromagnética. ......................................................................... 20
Figura 3- O espectro de irradiância da radiação solar no topo da atmosfera, ao nível do mar
e o espectro de irradiância de um corpo negro. ............................................................................ 21
Figura 4- Raios solares chegando à Terra em linha reta............................................................. 23
Figura 5- Demonstração do ângulo azimutal ................................................................................. 23
Figura 6- Movimentos de translação e rotação da Terra. ............................................................ 24
Figura 7- Inclinação da Terra em relação ao eixo de orbita elíptica em torno do Sol............. 25
Figura 8- Posição do Sol definida pelos ângulos azimutal, zenital e da altura solar. .............. 26
Figura 9- Ângulo de inclinação do módulo. .................................................................................... 26
Figura 10- Posicionamento da Placa Solar. .................................................................................. 28
Figura 11- Representação esquemática célula fotovoltaica ........................................................ 31
Figura 12- Lingote de silício monocristalino. ................................................................................. 32
Figura 13- Célula solar de silício monocristalino........................................................................... 33
Figura 14- Lingote de silício policristalino. ..................................................................................... 34
Figura 15- Modulos fotovoltaicos de silicio monocristalino. ......................................................... 36
Figura 16- Circuito Equivalente célula fotovoltaica. ...................................................................... 37
Figura 17- Circuito equivalente de uma célula fotovoltaica ideal. ............................................... 38
Figura 18- Curva característica I-V e P-V ...................................................................................... 39
Figura 19- Influencia da irradiância na tensão. ............................................................................. 41
Figura 20- Influencia da irradiância na potencia. .......................................................................... 41
Figura 21- Influencia da temperatura na tensão. .......................................................................... 42
Figura 22- Influencia da temperatura na potencia. ....................................................................... 42
Figura 23 - Conjunto de módulos em série .................................................................................... 43
Figura 24- Conjunto de módulos em paralelo. .............................................................................. 43
Figura 25- Módulo fotovoltaico com sombra em uma célula. ...................................................... 44
Figura 26- Diodos de baypass e diodos de bloqueio conectados com as células solares. .... 45
Figura 27- Organização e Componentes de um sistema fotovoltaico conectados à rede. ..... 46
Figura 28- Procedimentos e etapas de acesso. ............................................................................ 47
Figura 29- Representação do sistema de compensação de energia. ........................................ 48
Figura 30- Esquema básico do inversor de corrente. ................................................................. 49
Figura 31- Sinal com Modulação de Pulso. ................................................................................... 50
Figura 32- Corrente elétrica com elevada distorção harmônica. ................................................ 52
Figura 33- Esquema Sistema conectado a rede. .......................................................................... 56
LISTA DE TABELAS
Tabela 1- Escolha do angulo de inclinação. ............................................................. 27
Tabela 2- Tempo de desconexão do inversor da rede elétrica na ocorrência de
distúrbios de tensão. ................................................................................................ 51
Tabela 3- Relação potência e fator de potencia. ...................................................... 53
Tabela 4- Quadro de Geração instalada. ................................................................. 64
Tabela 5- Quadro de Geração instalada. ................................................................. 65
Tabela 6- Ficha Técnica do Inversor de Frequência................................................. 65
Tabela 7- Previsão Orçamentária............................................................................. 69
Tabela 8- Controle consumo Canteiro de Obras 2015. ............................................ 70
Tabela 9- Dados solarimétricos - Cidade: Juazeiro/BA. ........................................... 70
Tabela 10- Análise do investimento e tempo de retorno. .......................................... 71
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO .................................................................................................. 12
1.1 Objetivos ..................................................................................................... 13
1.2 Justificativa ................................................................................................. 13
1.3 Metodologia ................................................................................................ 14
1.4 Estrutura do trabalho ................................................................................... 14
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................. 16
2.1 Matriz energética brasileira ......................................................................... 16
2.2 Fontes de energia renováveis ..................................................................... 17
2.2.1 Energia solar fotovoltaica ..................................................................... 19
2.2.1.1 Irradiância ......................................................................................... 20
2.2.1.2 Insolação ........................................................................................... 22
2.2.2 Orientação dos módulos fotovoltaicos .................................................. 22
2.3 Células e Módulos Fotovoltaicos ................................................................. 28
2.3.1 Células Fotovoltaicas ............................................................................ 30
2.3.2 Tipos de células fotovoltaicas ............................................................... 31
2.3.2.1 Silício monocristalino ......................................................................... 32
2.3.2.2 Silício policristalino ............................................................................ 34
2.3.2.3 Filmes finos ....................................................................................... 34
2.3.3 Módulo, placa ou painel fotovoltaico ..................................................... 35
2.3.4 Funcionamento e características dos módulos fotovoltaicos................. 36
2.3.4.1 Circuito equivalente da célula fotovoltaica ......................................... 37
2.3.4.2 Curvas características de corrente, tensão e potencia. ..................... 39
2.3.4.3 Influencia da radiação solar ............................................................... 40
2.3.4.4 Influência da temperatura .................................................................. 41
2.3.5 Conjuntos ou arranjos fotovoltaicos ...................................................... 42
2.3.5.2 Conexões de módulos em paralelo ................................................... 43
2.3.6 Sombreamento de módulos fotovoltaicos ............................................. 43
3. SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CONECTADOS À REDE ................................ 45
3.1 Categorias de sistemas fotovoltaicos conectados à rede ............................ 45
3.2 Sistemas de Microgeração fotovoltaico. ...................................................... 46
3.2.1 Sistemas de compensação de energia. ................................................ 47
3.2.2 Inversores para a conexão à rede elétrica ............................................ 48
3.2.2.1 Funcionamento dos inversores .......................................................... 48
3.2.2.2 Características dos inversores .......................................................... 50
3.2.2.3 Recursos e funções dos inversores ................................................... 51
3.2.3 Quadro de proteção de corrente contínua (CC) .................................... 53
3.2.4 Quadro de proteção de corrente alternada (CA) ................................... 53
3.2.6 Dimensionamento do Sistema Fotovoltaico conectado à rede de
distribuição de energia elétrica .......................................................................... 55
3.2.6.1 Dimensionamento do gerador fotovoltaico......................................... 56
3.2.6.2 Dimensionamento do inversor ........................................................... 57
3.2.6.3 Dimensionamento do número de módulos ........................................ 58
3.2.6.4 Dimensionamento das instalações do lado de corrente alternada. .... 59
3.2.6.5 Dimensionamento dos cabos no lado de corrente contínua .............. 59
3.2.6.6 Dimensionamento dos fusíveis no lado de corrente contínua ............ 60
3.2.6.7 Escolha dos diodos no lado de corrente contínua ............................. 61
4. ESTUDO DE CASO: PROJETO DE DIMENSIONAMENTO DE UM SISTEMA
FOTOVOLTAICO PARA ALIMENTAR UMA CARGA DE 60KVA. .......................... 62
4.1 Memorial Descritivo ..................................................................................... 62
4.1.1 Objetivos .............................................................................................. 62
4.1.2 Referencias Normativas ....................................................................... 62
4.1.2.1 Legislação – ANEEL.......................................................................... 62
4.1.2.2 Normas Técnicas da CELPE ............................................................. 62
4.1.3 Central Geradora .................................................................................. 63
4.1.3.1 Unidade Consumidora ....................................................................... 63
4.1.3.2 Unidade Geradora ............................................................................. 63
4.1.4 Data de Entrada em Operação ............................................................. 64
4.1.5 Equipamentos....................................................................................... 64
4.1.5.1 Módulos Fotovoltaicos ....................................................................... 65
4.1.5.2 Inversor de Frequência ...................................................................... 65
4.1.6 Proteções Elétricas ............................................................................... 66
4.1.6.1 Proteção Contra Curto-Circuito ......................................................... 66
4.1.6.2 Seccionamento.................................................................................. 66
4.1.6.3 Aterramento ...................................................................................... 66
4.1.6.4 Proteções Incorporadas e Integrantes ao Inversor empregado ......... 66
4.1.7 Sinalização de Segurança .................................................................... 67
4.2 Diagrama Unifilar ........................................................................................ 68
4.3 Diagrama Trifilar.......................................................................................... 69
5. CONCLUSÃO ................................................................................................... 72
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................ 73
ANEXO A – Índice de radiação Solar em Juazeiro/Petrolina (MJ/m2.dia). .......... 75
ANEXO B – Temperatura média Juazeiro/Petrolina (ºC) ..................................... 76
ANEXO C – Formulário de Registro ...................................................................... 77
ANEXO D – Carta de solicitação de acesso junto a Concessionária ................. 78
12
1. INTRODUÇÃO
O aproveitamento da energia gerada pelo Sol, tanto como fonte de calor
quanto de luz, é hoje uma das alternativas energéticas mais promissoras para prover
a energia necessária ao desenvolvimento humano. Lembrando, que o Sol é a
principal fonte de energia do nosso planeta, e ele é responsável pela origem de
praticamente todas as outras fontes de energia na Terra, ou seja, em última
instância, as fontes de energia são em sua maioria, derivadas da energia do Sol.
A superfície da Terra recebe anualmente uma quantidade de energia solar,
nas formas de luz e calor, suficiente para suprir milhares de vezes às necessidades
mundiais durante o mesmo período. Apenas uma pequena parcela dessa energia é
aproveitada.
O aproveitamento da energia solar, conhecida como energia fotovoltaica (FV),
mostrou desde os anos de 1970, que podemos obter a energia sem a queima de
combustíveis fosseis (carvão, petróleo ou gás natural). A energia fotovoltaica nos
ajuda a evitar a maioria das ameaças advindas do efeito estufa e, associada com as
atuais técnicas de produção de eletricidade, ela também apresenta outros
benefícios. (FERNANDES, A. F.2014)
Embora o potencial da energia advinda do Sol seja bastante elevado, estima-
se que apenas parte de um minuto seja suficiente para atender a toda demanda
mundial de eletricidade. A energia solar fotovoltaica pode ser utilizada praticamente
em todos os lugares, por outro lado, a quantidade de radiação depende do clima e,
em especial, da latitude.
As células Fotovoltaicas, responsáveis pela geração da energia FV, em sua
grande parte, são compostas de silício. Uma única célula de silício cristalino, com
uma área de 100 cm2, gera uma corrente de 3A (Amperes) com uma tensão de 0,5 V
(Volts), quando exposta a Sol pleno (VILLALVA, 2013).
É evidente que um módulo solar, composto por grande número de células de
silício, irá fornecer uma potencia maior, tendo esse que ser orientado
perpendicularmente à radiação incidente. Assim as condições de orientação ótima
13
para um sistema fotovoltaico são conseguidas se a radiação incidente sobre os
módulos solares for continuamente vertical.
1.1 Objetivos
O objetivo deste trabalho é mostrar que o Brasil, em especial a região do Vale
do São Francisco, tem grande potencial para utilização de energias renováveis,
destacando-se a captação de energia solar transformada em energia elétrica através
de painéis fotovoltaicos, visto que com a evolução das tecnologias, cada vez o
investimento nessa modalidade se torna mais viável.
1.2 Justificativa
A necessidade de recorrer às fontes alternativas de energia vem crescendo
demasiadamente, com isso, a energia fotovoltaica se destaca partindo do
pressuposto que diariamente muita quantidade de energia chega ao nosso planeta
de forma gratuita e limpa, através dos raios solares, que além de trazerem a luz e o
calor essencial para a vida na Terra, podem ser aproveitados para a geração de
eletricidade (VESPER,2012).
O aproveitamento da energia gerada pelo Sol, inesgotável na escala terrestre
de tempo, tanto como fonte de calor quanto de luz, é hoje, sem sombra de dúvidas,
uma das alternativas energéticas mais promissoras para enfrentarmos os desafios
deste milênio. E quando se fala em energia, deve-se lembrar de que o Sol é
responsável pela origem de praticamente todas as fontes de energia. Em outras
palavras, as fontes de energia são, em última instância, derivadas, em sua maioria,
da energia do Sol.
A energia solar é abundante e permanente, renovável a cada dia, não polui e
nem prejudica o ecossistema. A energia solar é a solução ideal para áreas afastadas
e ainda não eletrificadas, especialmente num país como o Brasil onde se encontram
bons índices de insolação em qualquer parte do território.
14
O Sol irradia anualmente o equivalente a 10.000 vezes a energia consumida
pela população mundial neste mesmo período (VILLALVA, 2013).
1.3 Metodologia
O desenvolvimento do presente trabalho teve início no levantamento
bibliográfico a respeito de todo o processo de geração de energia fotovoltaica, desde
o princípio de funcionamento das células semicondutoras até o dimensionamento de
um sistema fotovoltaico interligado no sistema elétrico convencional.
A partir do levantamento bibliográfico será investigado como se dá a geração
de corrente elétrica através das placas semicondutoras, permitindo um melhor
entendimento da eficiência de cada material aplicado na construção das placas
solares.
Depois de estudado os materiais semicondutores que melhoram a eficiência
das placas solares, serão investigados o princípio de funcionamento, características
e tipos das células solares aplicados nos sistemas interligados na rede.
Para realizar o sincronismo entre a energia gerada pelas placas e a energia
da rede, analisaremos os inversores de frequência, que fará toda a conversão
necessária para interligar as mesmas, isso ocorre no sistema ON-GRID, onde sua
fonte de geração fotovoltaica está interligada diretamente na rede. Ao fim do
trabalho, foi elaborado um projeto de dimensionamento para atender uma carga de
60kVA.
1.4 Estrutura do trabalho
No primeiro capítulo aborda-se uma introdução do trabalho ressaltando sua
importância no contexto econômico e social. O capítulo 2 faz-se uma revisão
bibliográfica de todo o processo envolvido na geração de energia fotovoltaica. O
capítulo 3 aborda os procedimentos para utilização de sistemas de geração
fotovoltaicas interligados na rede. O capítulo 4 trata da projeção de um sistema
15
fotovoltaico que alimenta uma carga de 60KVA. E por fim, o capítulo 5 traz a
conclusão obtida durante todo o processo de elaboração do presente trabalho.
16
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Matriz energética brasileira
Ao longo das últimas décadas vivenciamos um período de grande
industrialização, no Brasil e nos demais países, de uma maneira geral. Este
crescimento acentuado só foi possível, primeiramente, pelo aumento da capacidade
de fornecimento de energia, independentemente de sua origem. No entanto, o
sentimento de que vale a pena crescer a qualquer custo parece ter sido alterado e,
atualmente, já podemos notar preocupações reais quanto à necessidade de um
crescimento sustentável, que se faça valer dos recursos naturais sem impactar
demasiadamente o meio ambiente (VESPER,2012).
O discurso pela sustentabilidade ganhou projeção no cenário global
defendendo que as nações devem priorizar a obtenção de recursos energéticos a
um custo baixo e com pouco impacto ambiental, afim de que estejam melhor
posicionadas em relação aos países que ainda mantêm suas bases energéticas
majoritariamente em energia não renovável, por exemplo. É exatamente neste
cenário atual, que as atenções são voltadas ao modelo brasileiro de produção de
biocombustíveis, por exemplo, por enquanto um modelo de sucesso de
aproveitamento da energia mais limpa e renovável.
Protagonistas da geração de energia no País, as usinas hidrelétricas são
responsáveis por cerca de 70% da matriz brasileira atualmente, tendo evoluído de
mais de 13 mil megawatts de potência instalada na década de 1970 para cerca de
70 mil megawatts no início deste século. Dados da Agência Nacional de Energia
Elétrica (Aneel), mostram que estão operando atualmente 1.122 empreendimentos
de fonte hidráulica, além de 209 já outorgados e outros 34 em construção.
Entretanto, a inauguração de novas grandes usinas está com os dias contados: 15
anos, no máximo. Estima-se que, após este período, o potencial de construir novas
unidades terá se esgotado, não havendo mais usinas de grande porte para serem
implementadas. O Plano Decenal de Expansão de 2022, do Ministério de Minas e
Energia (MME), prevê que a participação das hidrelétricas deve cair para 65% já no
início da próxima década. Em contrapartida, a demanda de energia crescerá 4,2%
17
ao ano, passando dos atuais 63 mil megawatts médios para mais de 91 mil
megawatts em 2022. A Figura 01 mostra o comportamento da Matriz energética do
Brasil nos anos de 2012 e 2013.
Figura 1- Matriz Energética Brasileira.
FONTE: Empresa de Pesquisa Energética - EPE
2.2 Fontes de energia renováveis
O sol é a principal fonte de energia do nosso planeta. A superfície da Terra
recebe anualmente uma quantidade de energia solar, nas formas de luz e calor,
suficiente para suprir milhares de vezes às necessidades mundiais durante o mesmo
período. Apenas uma pequena parcela dessa energia é aproveitada. Mesmo assim,
com poucas exceções, praticamente toda energia usada pelo ser humano tem
origem no Sol.
A energia da biomassa, ou da matéria orgânica, tem origem na energia
captada pelo Sol através da fotossíntese, que é a conversão da energia do Sol em
energia química. A energia da água dos rios, usada para mover turbinas de usinas
hidrelétricas, tem origem na evaporação, nas chuvas e no desgelo provocados pelo
calor do Sol. A energia dos ventos tem origem nas diferentes temperaturas e
pressão na atmosfera ocasionadas pelo aquecimento solar. Os combustíveis fósseis
como o carvão, o gás natural e o petróleo também tem origem na energia solar, pois
são resultados da decomposição da matéria orgânica produzida há muitos milhões
de anos (FERNANDES, 2014).
18
As fontes renováveis de energia são aquelas consideradas inesgotáveis para
os padrões humanos de utilização. Podemos utilizá-las continuamente e nunca se
acabam, pois sempre se renovam. Alguns exemplos são energia solar, aproveitada
diretamente para aquecimento ou geração de eletricidade, eólica, oceânica,
geotérmica e da biomassa.
A hidrelétrica, que é a fonte de energia renovável mais utilizada em nosso
país, depende da disponibilidade de água nos rios. Esse recurso é inesgotável
desde que não ocorra o esgotamento das bacias hídricas pela ação direta humana
ou por alterações climáticas, que modifiquem os regimes pluviométricos.
Os ventos também são inesgotáveis e constituem uma fonte de energia
renovável, pois vão sempre soprar enquanto existir o calor do Sol para aquecer a
atmosfera.
É possível questionar até que ponto uma fonte de energia é inesgotável. A
ciência aponta que ainda poderemos aproveitar a luz e o calor do Sol durante cerca
de 8 bilhões de anos, tempo suficiente para considerarmos inesgotável essa fonte
de energia e as outras que dela derivam, para as necessidades humanas.
Da mesma forma a energia geotérmica, que é o calor do subsolo terrestre,
também é considerada inesgotável, pois sua disponibilidade é muito vasta em
comparação com outras fontes de energia que vão esgotar-se muito antes, como é o
caso dos combustíveis fósseis.
Embora sejam muito grandes as reservas de petróleo, gás e carvão em todo o
mundo, a disponibilidade desses recursos fósseis diminui com o uso, portanto são
fontes de energia não renováveis. Por maiores que sejam as reservas conhecidas
dos recursos não renováveis, é certo que a humanidade não poderá contar sempre
com a energia produzida a partir dessas fontes, até mesmo porque sabemos que o
consumo dessas fontes de energia gera impacto ambiental, processo o qual vem se
tornado bastante relevante no contexto atual (VILLALVA, 2013).
19
2.2.1 Energia solar fotovoltaica
A energia do Sol pode ser utilizada diretamente para produzir eletricidade pelo
efeito fotovoltaico, que consiste na conversão direta da luz solar em energia elétrica.
O efeito fotovoltaico e o funcionamento das células e dos painéis solares
fotovoltaicos serão explicados adiante.
Diferentemente dos painéis solares térmicos, que são empregados para
realizar aquecimento ou para produzir eletricidade a partir da energia térmica do Sol,
os sistemas fotovoltaicos tem capacidade de captar diretamente a luz solar e
produzir corrente elétrica. Essa corrente é coletada e processada por dispositivos
controladores e conversores, podendo ser armazenada em baterias ou utilizada
diretamente em sistemas conectados à rede elétrica, que serão abordados nos
próximos capítulos (FERNANDES, 2014).
A radiação provinda do sol que viaja através do espaço é constituída de
diferentes comprimentos de onda. A radiação é classificada quanto ao comprimento
de onda, e quanto menor esse comprimento, maior a energia de radiação. A terra
intercepta a radiação solar a aproximadamente 146 milhões de km de distância do
Sol e recebe 2 bilionésimos da radiação emitida pelo sol, o que equivale a 35.000
vezes a energia usada por todas as pessoas do planeta em um ano
(CRESESB,2004).
A figura 2 mostra o espectro de radiação eletromagnética, fornecendo os
comprimentos de onda para cada tipo de radiação.
20
Figura 2- Espectro de radiação eletromagnética. FONTE: (INCROPERA, 2008).
De toda a radiação solar interceptada pela Terra, cerca de 35% é refletida de
volta para o espaço. As nuvens e poeira atmosférica são as maiores responsáveis
por essa reflexão da radiação solar, porém, a água, neve e a terra que estão
localizadas na superfície terrestre, também provocam uma reflexão dessa radiação
(CRESESB, 2014).
A quantidade de energia recebida do sol diariamente, numa certa localidade,
é diferente em cada dia do ano e, naturalmente, é maior no verão e menor no
inverno, por conta da duração dos dias. Há ainda fatores atmosféricos que podem
influenciar o trajeto dos raios solares até o solo e também contribuem para aumentar
ou diminuir a energia solar disponível em cada dia do ano em uma determinada
localidade (VILLALVA, 2013).
2.2.1.1 Irradiância
Uma grandeza empregada para quantificar a radiação solar é a irradiância,
geralmente chamada de irradiação, expressa na unidade de W/m2 (watt por metro
quadrado). Trata-se de uma unidade de potência por área. Como se sabe a potencia
é uma grandeza física que expressa a energia transportada em certo intervalo de
tempo, ou a taxa de variação da energia com o tempo. Quanto maior a potencia da
radiação solar, mais energia ela transporta em um mesmo intervalo de tempo.
21
A luz do sol se distribui de maneira semelhante à radiação, que é emitida
através de um corpo negro, no qual só depende da temperatura para emissão de
ondas eletromagnéticas. Parte da intensidade e do espectro eletromagnético da
radiação solar é afetada ao interagir com a atmosfera, devido às chamadas AM (Air
Mass), coeficiente denominado massa de ar. Ao atravessar a atmosfera uma parte é
absorvida por gases com banda de absorção especificas, como o ozônio, vapor de
água e o dióxido de carbono, que absorvem nas bandas do UV (ultravioleta), luz
visível e do IF (infravermelho) respectivamente.
Outra parte sofre reflexão nas massas de ar, nuvens e na própria superfície
terrestre, ou seja, apenas uma fração da radiação solar consegue atingir
efetivamente a superfície terrestre. A Fig.3 mostra o espectro de irradiância, que
descreve a energia incidente por unidade de superfície, da radiação solar, nos níveis
do topo da atmosfera e ao nível do mar (em cinza), comparado ao espectro de
irradiância de um corpo negro, mostrando o efeito de absorção das AM, ozônio,
vapor de água e dióxido de carbono (RUTHER, 1999).
Figura 3- O espectro de irradiância da radiação solar no topo da atmosfera, ao nível do mar e o espectro de irradiância de um corpo negro.
FONTE: (INCROPERA, 2008).
22
Na superfície terrestre, a irradiância da luz solar é tipicamente em torno de
1.000 W/m2. No espaço extraterrestre, na distancia média entre o Sol e a Terra, a
irradiância é cerca de 1.353 W/m2. A medida da irradiância em W/m2 é muito útil
para avaliar a eficiência dos dispositivos e sistemas fotovoltaicos. Com o valor
padrão de 1.000 W/m2, as eficiências das células e módulos fotovoltaicos de
diversos fabricantes podem ser especificadas e comparadas, com base numa
condição padrão de radiação solar (FIGUEIREDO,2014).
2.2.1.2 Insolação
A insolação é a grandeza utilizada para expressar a energia solar que incide
sobre uma determinada área de uma superfície plana ao longo de um determinado
intervalo de tempo. Sua unidade é o Wh/m2 (Watt-hora por metro quadrado). O Watt-
hora é uma unidade física de energia e o Watt-hora por metro quadrado expressa a
densidade de energia por área.
A medida de insolação em Wh/m2 é muito útil para fazer o dimensionamento
dos sistemas fotovoltaicos. Na prática encontramos tabelas e mapas de insolação,
que fornecem valores diários expressos em Wh/m2.dia (watt-hora por metro
quadrado por dia).
2.2.2 Orientação dos módulos fotovoltaicos
Vamos agora compreender o modo como os raios solares chegam à Terra e
como isso afeta a maneira de instalação dos módulos solares.
Algum conhecimento sobre a incidência dos raios solares em nosso planeta é
necessário para que os módulos sejam instalados corretamente, fazendo-os captar a
energia solar da melhor maneira possível.
Os raios solares são ondas eletromagnéticas paralelas entre si, que chegam a
Terra em linha reta, como indica a Figura 4. Para o estudo da radiação solar em
aplicações fotovoltaicas é suficiente considerar que os raios são em linhas retas.
23
Figura 4- Raios solares chegando à Terra em linha reta. FONTE: VILLALVA,2013.
Em cada ponto do planeta a radiação direta incide no solo com uma
inclinação diferente. Essa inclinação varia com a latitude e ao longo dos dias e
meses do ano, de acordo com a posição da Terra e do Sol no espaço.
Ângulo azimutal
O azimutal é o ângulo de orientação dos raios solares com relação ao norte
geográfico, como mostra a Figura 5. O Sol, em sua trajetória no céu desde o
nascente até o poente, descreve diferentes ângulos ao longo do dia.
Figura 5- Demonstração do ângulo azimutal
FONTE: EPE
Isto significa que um observador localizado no hemisfério Sul, abaixo da linha
do equador, quando estiver olhando para o Norte, verá o Sol com ângulos variáveis
do seu lado direito no período da manha e do lado esquerdo no período da tarde. Ao
meio-dia solar o observador verá o Sol exatamente à sua frente, o que representa o
ângulo azimutal nulo (VILLALVA, 2013).
24
Quando o ângulo azimutal é nulo, o Sol está na metade do trajeto que
percorre do instante que nasce até o instante que se põe. A instalação correta de um
módulo solar fotovoltaico deve levar em conta o movimento diário do Sol (VILLALVA,
2013).
Movimentos da Terra
A Terra descreve uma trajetória elíptica em seu movimento de translação em
torno do Sol. Um trajeto completo tem a duração de aproximadamente 365 dias e
seis horas.
Ao mesmo tempo em que orbita o Sol, nosso planeta gira em torno do seu
próprio eixo no movimento chamado rotação. Um movimento de rotação completo
dura 24 horas. Os movimento de translação e rotação são ilustrados na Figura 6.
O eixo de rotação da Terra, que é o eixo dos polos Norte e Sul geográficos, é
levemente inclinado no ângulo de aproximadamente 23,5° com relação ao eixo do
movimento de orbita de translação, como ilustra a Figura 7(VILLALVA, 2013).
Figura 6- Movimentos de translação e rotação da Terra.
FONTE: EPE
25
Figura 7- Inclinação da Terra em relação ao eixo de orbita elíptica em torno do Sol.
FONTE: EPE
Altura Solar
Devido à existência do ângulo de inclinação solar, o sol nasce e se põe em
diferentes pontos do céu e descreve uma trajetória com inclinação diferente em cada
dia do ano. Um observador que olha em direção ao Norte enxerga o Sol
descrevendo uma trajetória circular no céu. A altura do Sol no céu é maior nos dias
de verão, o que significa que nessa época os raios solares incidem sobre a cabeça
do observador com um ângulo zenital menor, percorrendo uma massa de ar
reduzida.
O ângulo de inclinação da trajetória do Sol com o plano horizontal recebe o
nome de ângulo de altura solar, como ilustra a Figura 8. O valor da altura solar
depende da localização geográfica do observador e do ângulo da declinação solar
(VILLALVA, 2013).
26
Figura 8- Posição do Sol definida pelos ângulos azimutal, zenital e da altura solar.
FONTE: VILLALVA, 2013.
Ângulo de incidência dos raios solares
O modo como os raios solares incidem sobre a superfície terrestre depende
da posição do Sol no céu. Como sabemos, a posição varia ao longo do dia e do ano,
sendo determinada pelos ângulos azimutal e zenital.
A Figura 9 mostra como incidem os raios solares em um módulo solar. O
módulo é instalado com ângulo de inclinação α em relação ao solo e tem sua face
voltada para o norte geográfico. Os raios solares incidem sobre a superfície do
módulo com o ângulo de inclinação β, definido em relação à reta perpendicular à
superfície do módulo. Em cada dia do ano, conforme a altura solar varia, o módulo
recebe os raios solares com uma inclinação β diferente (VILLALVA, 2013).
Figura 9- Ângulo de inclinação do módulo.
FONTE: VILLALVA, 2013.
27
O melhor aproveitamento da energia solar ocorre quando os raios incidem
perpendicularmente ao módulo, com ângulo β=0. Isso significa que idealmente, para
maximizar a captação da energia solar, a inclinação do módulo deve ser ajustada
diariamente para adequar-se ao valor da altura solar naquele dia (VILLALVA,
2013).
Escolha do ângulo de inclinação do módulo solar.
A maior parte dos sistemas fotovoltaicos possui ângulo fixo de inclinação,
então deve ser escolhido um ângulo por algum critério. A Tabela 1 mostra o ângulo
de inclinação α que faz os raios solares incidirem perpendicularmente à superfície do
módulo. Este é o ângulo que maximiza a captação da radiação solar direta.
Naturalmente, com o módulo em ângulo fixo não se consegue maximizar a
captação dos raios solares em todos os dias ou meses do ano, mas é possível
escolher um ângulo que possibilite uma boa produção media de energia ao longo do
ano. Dependendo da inclinação adotada, a energia produzida pode ser maximizada
ao longo do ano, somente nos meses de verão ou somente nos meses de inverno.
É possível determinar para uma latitude geográfica um ângulo de inclinação
que possibilite uma boa produção média de energia no ano. A Tabela 1 mostra o
ângulo de inclinação recomendado para faixas de latitudes geográficas. Não se
recomenda a instalação com ângulos de inclinação inferior a 10° para evitar o
acumulo de poeira sobre as placas ( VILLALVA, 2013)
Tabela 1- Escolha do angulo de inclinação. Fonte: "Installation and Safety Manual of de Bosh Solar Modules"
Latitude geográfica do
loca
Ângulo de inclinação
recomendado
0° a 10° α = 10°
11° a 20° α = latitude
21° a 30° α = latitude +5°
31° a 40° α = latitude +10°
41° ou mais α = latitude +15°
28
Na prática, para instalação física, o instalador deve calcular a altura da haste
de fixação (z) em função do ângulo calculado (α) e levando em conta o comprimento
do módulo (L) ou a distancia entre a borda do módulo no solo e a barra de
sustentação (x), como ilustra a Figura 10 (VILLALVA, 2013).
Figura 10- Posicionamento da Placa Solar.
FONTE: VILLALVA, 2013.
A altura z da haste de fixação é calculada pela seguinte equação:
(1)
E a distancia x é calculada como:
(2)
2.3 Células e Módulos Fotovoltaicos
Para entendermos melhor as células e módulos fotovoltaicos, temos que
entender os materiais semicondutores, pois este é o material que compõe esses
elementos.
Os dispositivos semicondutores são considerados a peça mais importante na
revolução ocorrida na microeletrônica que tanto tem influenciado as nossas vidas.
Os materiais semicondutores mais usados na indústria eletrônica são o Germânio
(Ge) e o Silício (Si), apesar do Silício predominar a produção atualmente. Seu
29
comportamento se deve à sua ligação química chamada ligação covalente (por
compartilhar elétrons).
Em temperatura ambiente e completamente puros, o Si e o Ge são isolantes.
A resistividade do silício puro é tão alta que ele é virtualmente um isolante. A
propriedade que o torna um semicondutor muito utilizado é a sua resistividade, que
pode ser reduzida de maneira controlada.
Existem duas formas de aumentar a condutibilidade desses materiais. Uma
delas é aumentando a sua temperatura. Quanto maior a temperatura do
semicondutor mais os elétrons da ultima camada (compartilhados) se destacam de
sua ligação e se tornam elétrons livres.
Outra forma de aumentar a condutibilidade do material semicondutor é
introduzindo impurezas específicas de átomos estranhos em sua estrutura química,
tornando então, um semicondutor dopado. Essas impurezas, se inseridas de forma
uniforme pelo material e em quantidade controlada (um para um milhão, por
exemplo) faz com que esse semicondutor apresente novas características. Por
exemplo, se utilizarmos o arsênio como impureza e com ele contaminarmos o silício,
haverá então, no silício, alguns átomos de arsênio espalhados, o que pode aumentar
sua condutividade.
Segundo o postulado de Bohr os elétrons se encontram em níveis
estacionários de energia de um átomo e para que o elétron passe para outro nível
de energia ele deve absorver ou emitir energia. A transição eletrônica de níveis se
dá com a energia recebida ou cedida pelo elétron. Basicamente, existem três
bandas de energia que determinam a quantidade necessária para um elétron
realizar a mudança: banda de valência, banda proibida e banda de condução.
A banda de valência refere-se ao nível de energia em que o elétron está sob
forte ação da força do núcleo atômico. A banda proibida é a faixa de energia que o
elétron deve romper para entrar na banda de condução, sendo que esta última é
caracterizada pela liberdade que o elétron possui de interagir com a sua vizinhança.
30
Cada tipo de material possui valores específicos de bandas. Elas determinam
se um material tem características condutoras ou isolantes, quanto menor for a
banda proibida maior é a facilidade de um elétron interagir com a sua vizinhança,
pois será necessário uma pequena energia para realizar a transição eletrônica.
Em painéis fotovoltaicos utilizam-se semicondutores dopados.
Nos materiais semicondutores, a zero Kelvin, as bandas de valência apresentam-se cheias e as de condução vazias, semelhante aos isolantes, porém com a diferença de estarem separadas por uma banda proibida muito menor (cerca de cinco vezes, por exemplo, entre o silício e o diamante). Como a banda proibida dos semicondutores é relativamente baixa, é possível excitar alguns elétrons da banda de valência para a banda de condução por meios térmicos ou luminosos. Sendo assim, pares elétron-lacuna são gerados, permitindo a condução de corrente. Num semicondutor intrínseco, esses pares elétron-lacuna são os únicos portadores de carga, o que mantém o cristal com uma elevada resistividade. Para melhorar a condutividade, são inseridos materiais dopantes, cujo efeito é atuar na estrutura de bandas, diminuindo a banda proibida, além de disponibilizar portadores de carga. Os cristais tipo-p ou tipo-n são produzidos dependendo dos dopantes doadores de elétrons (tipo n) ou receptores (tipo p). Na verdade, o uso dos dopantes representa o controle das propriedades elétricas nos semicondutores (VESPER, 2016).
A junção de um cristal tipo P e um tipo N é necessária para ocorrência do
efeito fotovoltaico. Nessa junção cria-se uma zona de depleção, lugar onde existe
um campo elétrico gerado pela recombinação, ou seja, associação de um elétron do
material tipo N com uma lacuna do material tipo P.
O efeito fotovoltaico ocorre quando os elétrons absorvem a energia solar
necessária para romper a sua banda de valência e entrar na banda de condução,
onde ele terá liberdade de interagir eletronicamente com a sua vizinhança. O campo
elétrico gerado na junção acelera os elétrons e favorece o deslocamento de cargas,
gerando, dessa forma, a corrente elétrica (VESPER, 2016).
2.3.1 Células Fotovoltaicas
A maior parte das células fotovoltaicas é composta de uma junção P-N. O
principio de funcionamento dessas células ocorre com o efeito fotoelétrico, que
fornece energia elétrica em corrente contínua. A Figura 11 representa um esquema
31
de uma célula fotovoltaica. Para a captação da energia, inserem-se contatos
metálicos nas duas extremidades da junção.
Figura 11- Representação esquemática célula fotovoltaica Fonte: CERESBE,2004.
Os pesquisadores Chapipn, Fuller e Pearson nos laboratórios da Companhia
Bell Telephone produziram as primeiras células solares experimentais, cuja
eficiência era de 5,6% por meio do processo de difusão térmica de dopantes. A partir
daí impulsionadas pelos programas espaciais, que necessitavam de fontes de
alimentação para os seus instrumentos de comunicação e navegação, as células
fotovoltaicas tiveram um grande desenvolvimento. Embasadas pelo avanço
tecnológico, chegou-se na década de 90 com células cuja eficiência de conversão
da ordem de 23 a 24%, em laboratórios (VESPER, 2015).
As células solares são fabricadas a partir dos mais diversos tipos de materiais
semicondutores, entretanto, devido à sua abundância no planeta, o silício é o
material mais utilizado atualmente.
2.3.2 Tipos de células fotovoltaicas
Existem atualmente diversas tecnologias para a fabricação de células e
módulos fotovoltaicos. As tecnologias de células fotovoltaicas mais comuns
encontradas no mercado são a do silício monocristalino, a do silício policristalino e a
32
do filme fino de silício. A seguir serão apresentadas algumas características dessas
diferentes tecnologias.
O silício empregado na fabricação de células fotovoltaicas é extraído do
mineral quartzo. O Brasil é um dos principais produtores mundiais desse minério,
mas a purificação do silício não é feita em nosso pais, assim como a fabricação da
célula.
2.3.2.1 Silício monocristalino
Blocos de silício ultrapuro são aquecidos em altas temperaturas e submetidas
a um processo de formação e cristal chamado Czochralski. O produto resultante
desse processo é o lingote de silício monocristalino mostrado na Figura 12.
Figura 12- Lingote de silício monocristalino.
Fonte: Bosch Solar Energy AG
O lingote de silício monocristalino é constituído de uma estrutura cristalina
única e possui organização molecular homogênea, o que lhe confere o aspecto
brilhante e uniforme.
O lingote é serrado e fatiado para produzir wafers, que são finas bolachas de
silício puro, e estes não possuem propriedades de uma célula fotovoltaica. Os
wafers são submetidos a processos químicos nos quais recebem impurezas em
33
ambas as faces, formando as camadas de silício P e N que constituem a base para
o funcionamentos da célula fotovoltaica.
Por ultimo, a célula semiacabada recebe uma película metálica em uma das
faces, uma grade metálica na outra face e uma camada de material antirreflexo na
face que vai receber a luz. O produto final é a célula fotovoltaica monocristalina
mostrada na Figura 13.
Figura 13- Célula solar de silício monocristalino. Fonte: Bosh Solar Energy AG
As células de silício monocristalino são as mais eficientes produzidas em
larga escala e disponível comercialmente. Alcançam eficiência de 15 a 18%, mas
tem o custo de fabricação mais elevado do que os outros tipos de células. São
células rígidas e quebradiças, que precisam ser montadas em módulos para adquirir
resistência mecânica para uso prático.
34
2.3.2.2 Silício policristalino
O silício policristalino é fabricado por um processo mais barato do que aquele
empregado na fabricação do monocristalino. O lingote de silício é formado por um
aglomerado de pequenos cristais, com tamanho e orientações diferentes, cujo
aspecto é exibido na Figura 14.
Figura 14- Lingote de silício policristalino. Fonte: Warut Roonguthai/Wiki Media Commons
O lingote de silício também é serrado para produzir wafers, que
posteriormente transformam-se em células fotovoltaicas. As células policristalinas
possuem aparência heterogênea e normalmente são encontradas na cor azul, mas
sua cor pode diferir em função do tratamento antireflexivo empregado.
As células de silício policristalino tem eficiência comercial entre 13 e 15%,
ligeiramente inferiores às da células monocristalinas e isso compensa a redução de
eficiência.
2.3.2.3 Filmes finos
Os filmes finos são uma tecnologia mais recente, que surgiu após as
tecnologias cristalinas estarem bem desenvolvidas. Diferentemente das células
cristalinas, que são produzidas a partir de fatias de lingotes de silício, os dispositivos
de filmes finos são fabricados através da deposição de finas camadas de materiais
(silício e outros) sobre uma base que pode ser rígida ou flexível.
As temperaturas de fabricação dos filmes finos estão entre 200 e 500°C,
assim consomem menos matéria-prima e menos energia em sua fabricação,
tornando mais baixo o custo dessa tecnologia. Além disso, a reduzida complexidade
35
de fabricação torna mais simples os processos automatizados, favorecendo a
produção em larga escala (VILLALVA, 2013).
Apesar de terem custo relativamente baixo, os dispositivos de filmes finos tem
baixa eficiência e necessitam de maior área de módulos para produzir a mesma
energia que produzem as tecnologias cristalinas.
O nome filme fino é usado para designar diferentes tecnologias que existem
atualmente, como o silício amorfo (aSi), o silício microcristalino (µSi), a tecnologia
telureto de cadmio (CdTe) e a tecnologia CIGS ( cobre-índio-gálio-selênio). As duas
ultimas são as mais eficientes e ainda estão em desenvolvimento, com uma
presença pequena no mercado.
2.3.3 Módulo, placa ou painel fotovoltaico
A célula fotovoltaica é o dispositivo fotovoltaico básico, uma célula sozinha
produz pouca eletricidade, então varias células são agrupadas para produzir painéis,
placas ou módulos fotovoltaicos.
Um módulo fotovoltaico é constituído de um conjunto de células montadas
sobre uma estrutura rígida e conectadas eletricamente. Estes normalmente são
encontrados no mercado produzem entre 50 e 250W de potencia, apresentam
tensões máximas de até aproximadamente 37V e podem fornecer em torno de 8A
de corrente elétrica. A Figura 15 ilustra módulos fotovoltaicos de silício.
36
Figura 15- Módulos fotovoltaicos de silício. Fonte: Bosch Solar Energy AG
2.3.4 Funcionamento e características dos módulos fotovoltaicos
A seguir vamos entender o funcionamento dos módulos fotovoltaicos e
compreender as informações disponibilizadas pelos fabricantes nas folhas de dados
e catálogos.
Os painéis ou módulos fotovoltaicos são formados por um agrupamento de
células conectadas eletricamente. Uma célula fotovoltaica consegue fornecer uma
tensão elétrica de até aproximadamente 0,6V. Para produzir módulos com tensões
de saída maiores, os fabricantes conectam várias células em serie. Tipicamente um
modulo tem 36, 54 ou 60 células, dependendo de sua classe de potência.
A corrente elétrica depende de sua área, pois a corrente elétrica depende
diretamente da quantidade de luz recebida pela célula. Quanto maior a área, maior a
captação de luz e maior a corrente fornecida. Geralmente os módulos cristalinos
comerciais fornecem em torno de 8A de corrente elétrica e módulos de filmes finos
normalmente apresentam corrente menores, em torno de 2A.
37
2.3.4.1 Circuito equivalente da célula fotovoltaica
O circuito equivalente da célula é representado pela Figura 16, como
observado, quando as células estão em operação, funcionam como uma fonte de
corrente contínua ( e que devido a recombinação de elétrons e portadores, parte
dessa corrente não é destinada a fotogeração, essa corrente gerada pela
recombinação é chamada de corrente de saturação (( . Devido a correntes
parasitas, imperfeições do cristal e defeitos de junção, existe ainda perda de carga
efeito joule causada por elementos resistivos presentes nas células.
Figura 16- Circuito Equivalente célula fotovoltaica.
A equação que representa a corrente na carga do circuito equivalente é dada
por:
[
]
)
(3)
Onde é o potencial térmico dado pela expressão:
(4)
Em que:
representa o fator de idealidade do diodo;
38
representa a constante de Boltzman, ;
é a temperatura de operação da célula na escala Kelvin;
refere-se ao valor da carga do elétron.
A resistência representa a resistência interna para o fluxo de corrente e
depende da espessura da junção pn, das impurezas, e da resistência dos contatos
(contatos metálicos entre as células e entre o painel e a carga), já a resistência Rp é
inversamente relacionada com as correntes de fuga.
Segundo Vesper (2015), temos que levar em consideração alguns pontos:
As resistências das conexões devem ser nulas;
Todas as células do arranjo devem ter resposta espectral idêntica, e, ainda,
trabalhar na mesma temperatura;
Os efeitos da resistência paralela (RP) podem ser desprezados,
considerando-a infinita;
Devemos considerar o termo o termo
maior que um em todas as
condições de operação.
O valor de deve ser igual a que é a corrente de curto-circuito.
Dessa forma, considerando essas abordagens temos o seguinte circuito
equivalente na Figura 17:
Figura 17- Circuito equivalente de uma célula fotovoltaica ideal.
39
Com este circuito equivalente, podemos obter equações para corrente na carga de
forma mais simples:
[
]
(5)
E a tensão no diodo vale:
(6)
2.3.4.2 Curvas características de corrente, tensão e potencia.
Um módulo fotovoltaico não se comporta como uma fonte elétrica
convencional. O modulo fotovoltaico não apresenta uma tensão de saída constante
nos seus terminais. A tensão elétrica depende da corrente e vice-versa. O ponto de
operação do módulo fotovoltaico, ou seja, seu valor da tensão e da corrente
depende do que está conectado em seus terminais (carga).
A relação entre tensão e corrente de saída de um módulo fotovoltaico é
mostrada na curva I-V da Figura 18. Todos os módulos fotovoltaicos possuem uma
característica semelhante.
Figura 18- Curva característica I-V e P-V FONTE: FIGUEIREDO, 2014.
Como podemos observar na Curva característica acima os principais
parâmetros abordados nas células fotovoltaicas são:
Po
ten
cia
(W)
(W(W
)
Co
rren
te (
A)
Tensão (V)
40
Corrente de curto-circuito (Isc) - corrente máxima que um dispositivo pode
produzir correspondendo a tensão nula e consequentemente potência nula.
Tensão de circuito-aberto ( ) - tensão máxima que um dispositivo pode
produzir correspondendo a corrente nula e consequentemente potência nula.
A tensão de circuito aberto é obtida através de:
(7)
Ponto de potência máxima (Pmppt) - é o valor máximo de potência que um
dispositivo pode produzir. Corresponde ao ponto em que a curva P-V tem o
seu valor máximo.
Corrente no ponto de máxima potência (Imppt) - é o valor da corrente para a
potência máxima.
Tensão no ponto de máxima potência (MPP) - é valor da tensão para a
potência máxima. O ponto de potência máxima (Pmppt) é o ponto de
funcionamento ótimo, sendo este o ponto desejado para o funcionamento do
painel. Mesmo no ponto de funcionamento ótimo, o painel é influenciado por
condições ambientais, como por exemplo, a temperatura e a incidência da
radiação solar.
2.3.4.3 Influencia da radiação solar
A corrente elétrica, que o modulo pode fornecer, dependente diretamente da
intensidade da radiação solar que incide sobre suas células. Com uma irradiância
solar de 1000 o módulo é capaz de fornecer corrente máxima especificada
em seu catalogo (na temperatura de 25°C) (VILLALVA, 2013).
A corrente máxima que o módulo pode fornecer varia proporcionalmente à
irradiância. Com pouca luz a corrente fornecida pelo módulo é muito pequena e sua
capacidade de gerar energia é severamente reduzida. As Figuras 19 e 20 mostram
como a irradiância afeta a tensão e a potência das células fotovoltaicas.
41
Figura 19- Influencia da irradiância na tensão. FONTE: FIGUEIREDO, 2014.
Figura 20- Influencia da irradiância na potencia. FONTE: FIGUEIREDO, 2014.
2.3.4.4 Influência da temperatura
A temperatura tem influência na tensão que o módulo fornece em seus
terminais e consequentemente na potência fornecida. Em temperaturas mais baixas
as tensões são maiores e em temperaturas mais altas as tensões são menores,
conforme mostra a Figura 21. E na Figura 22 mostra a influência da temperatura na
potência.
Tensão (V)
Co
rren
te (
A)
Po
ten
cia
(W)
(W(W
)
Tensão (V)
42
Figura 21- Influencia da temperatura na tensão. FONTE: FIGUEIREDO, 2014.
Figura 22- Influencia da temperatura na potencia.
FONTE: FIGUEIREDO, 2014.
2.3.5 Conjuntos ou arranjos fotovoltaicos
Os sistemas fotovoltaicos podem empregar um grande número de módulos
conectados em série ou em paralelo, para produzir a quantidade de energia
desejada.
Um agrupamento de módulos é denominado arranjo ou conjunto fotovoltaico.
Na literatura encontra-se o termo array para definir um conjunto de módulos.
Co
rren
te (
A)
Tensão (V)
Po
ten
cia
(W)
(W(W
)
Tensão (V)
43
2.3.5.1 Conexões de módulos em série
Quando os módulos são conectados em série, conforme mostra a Figura 23,
a tensão de saída do conjunto corresponde ao somatório da tensão fornecida por
cada um dos módulos. A corrente que circula pelo conjunto é a mesma em todos os
módulos.
Figura 23 - Conjunto de módulos em série FONTE: FIGUEIREDO, 2014.
2.3.5.2 Conexões de módulos em paralelo
Quando os módulos são conectados em paralelo, conforme Figura 24, a
tensão de saída do conjunto é a mesma tensão fornecida por um módulo individual.
Por outro lado, a corrente fornecida pelo conjunto é a soma das correntes dos
módulos do conjunto.
Figura 24- Conjunto de módulos em paralelo. FONTE: FIGUEIREDO, 2014.
2.3.6 Sombreamento de módulos fotovoltaicos
Um módulo fotovoltaico sujeito a uma sombra, causada por um obstáculo,
pode produzir energia mesmo se apenas uma de suas células estiver recebendo
pouca luz. Por estarem conectadas em série, as células de um módulo fotovoltaico
44
dependem uma das outras para produzir corrente. O efeito do sombreamento é
bastante prejudicial aos sistemas fotovoltaicos (VILLALVA, 2013).
O efeito de sombreamento ocorre quando uma ou mais células recebem
pouca ou nenhuma luz, impedindo a passagem da corrente elétrica das outras
células, conforme ilustra a Figura 25.
Figura 25- Módulo fotovoltaico com sombra em uma célula.
FONTE: VILLALVA, 2013.
Para minimizar o efeito do sombreamento nos módulos fotovoltaicos, os
fabricantes adicionam diodos de by-pass (ou de passagem) ligados e paralelo com
as células, conforme a Figura 26. Com o uso do diodo de by-pass, mesmo que uma
das células esteja escurecida e produzindo pouca corrente, as outras células do
módulo podem continuar produzindo corrente, pois a corrente da célula problemática
é desviada pelo diodo em paralelo.
45
Figura 26- Diodos de baypass e diodos de bloqueio conectados com as células solares. FONTE: FIGUEIREDO, 2014.
Com intuito de proteção dos módulos são conectados diodos de bloqueio que
impedem o fluxo de corrente de um conjunto série com tensão maior para um com
tensão menor, como ilustra a Figura 26. Estes diodos podem também ser utilizados
para impedir descargas noturnas das baterias em sistemas que utilizam
armazenamento da energia gerada.
3. SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CONECTADOS À REDE
O sistema fotovoltaico conectado à rede opera em paralelo com a rede de
eletricidade, cuja finalidade é gerar eletricidade para consumo local, e caso haja
excedente, fornece energia ao sistema, gerando créditos com a concessionária.
3.1 Categorias de sistemas fotovoltaicos conectados à rede
Os sistemas fotovoltaicos conectados à rede podem ser centralizados, onde
configura as usinas de geração de energia elétrica ou micro e minissistemas
descentralizados de geração distribuída, que podem ser instalados por qualquer tipo
de consumidor.
46
Segundo as normas estabelecidas pela Agencia Nacional de Energia Elétrica
(ANEEL), os sistemas fotovoltaicos conectados à rede podem ser classificados em
três categorias de acordo com o seu tamanho:
Microgeração: potencia instalada até 100kW;
Minigeração: potencia instalada entre 100kW e 1MW;
Usinas de eletricidade: potencia acima de 1MW.
Foi estabelecida a Resolução nº 482 pela ANEEL em 17 de abril de 2012, que
foi um marco histórico para o setor de energias renováveis, permitindo o acesso às
redes públicas de distribuição aos microgeradores e minigeradores de eletricidade
baseados em fontes renováveis. A resolução contempla, além da energia
fotovoltaica, as energias hidráulicas, eólica e da biomassa.
3.2 Sistemas de Microgeração fotovoltaico.
Sistemas de Microgeração, são sistemas que geram até 100kW, que podem
ser instalados para atender diversas cargas, sejam elas residenciais, comerciais,
industriais e etc. a Figura 27 representa a organização e componentes de um
sistema fotovoltaico interligado com a rede elétrica.
Figura 27- Organização e Componentes de um sistema fotovoltaico conectados à rede. Fonte: Eudora Solar.
47
Segue na Figura 28 as etapas que devem cumprir a concessionária e o
consumidor para ter acesso ao Sistema de Microgeração interligado à rede
estabelecida pela ANNEL:
Figura 28- Procedimentos e etapas de acesso.
FONTE: ANEEL
3.2.1 Sistemas de compensação de energia.
Uma importante inovação trazida pela Resolução Normativa nº 482/2012 é o
Sistema de Compensação de Energia Elétrica. Esse sistema permite que a energia
excedente gerada pela unidade consumidora com micro ou minigeração seja
injetada na rede da distribuidora, a qual funcionará como uma bateria, armazenando
esse excedente até o momento em que a unidade consumidora necessite de energia
proveniente da distribuidora. Dessa forma, a energia elétrica gerada por essas
unidades consumidoras é cedida à distribuidora local, sendo posteriormente
compensada com o consumo de energia elétrica dessa mesma unidade
consumidora (ou de outra unidade consumidora de mesma titularidade).
A Figura 29 representa o Sistema de compensação de energia elétrica:
48
Figura 29- Representação do sistema de compensação de energia. FONTE: NEOSOLAR.
3.2.2 Inversores para a conexão à rede elétrica
Os inversores para a conexão de sistemas fotovoltaicos à rede elétrica,
convertem em corrente alternada a energia gerada pelos módulos fotovoltaicos que
é em corrente contínua. Os inversores CC-CA conectados à rede funcionam como
fontes de corrente.
3.2.2.1 Funcionamento dos inversores
Como o próprio nome indica, o inversor de corrente é um dispositivo que
permite transformar a corrente contínua com que é alimentado, em corrente
alternada com determinadas características. Para esse efeito, a corrente DC
aplicada à entrada do inversor é cortada em impulsos através dos interruptores que
ligam a entrada às três fases da saída. O princípio básico de funcionamento dos
inversores está representado na Figura 30.
49
Figura 30- Esquema básico do inversor de corrente.
O comando dos interruptores tem de ser efetuado de modo a que as
componentes espectrais sejam as desejáveis. O uso de interruptores rápidos e com
capacidade de serem comandados nos dois estados (corte e condução), permite o
uso da técnica de modulação de largura de pulsos (PWM - Pulse Width Modulation).
Esta técnica permite o controle da amplitude da componente fundamental da
corrente de saída e afasta os harmónicos para frequências elevadas, simplificando a
filtragem (RUTHER, 1999).
3.2.2.1.1 Modulação por largura de Pulso (PWM)
Podemos obter um sinal alternado de baixa frequência através de uma
modulação em alta frequência. É possível obter este tipo de modulação ao comparar
uma tensão de referência (que seja imagem da tensão de saída buscada), com um
sinal triangular simétrico cuja frequência determine a frequência de chaveamento. A
frequência da onda triangular (chamada portadora) deve ser, no mínimo 20 vezes
superior à máxima frequência da onda de referência, para que se obtenha uma
reprodução aceitável da forma de onda sobre a carga, depois de efetuada a
filtragem (RUTHER, 1999).
A largura do pulso de saída do modulador varia de acordo com a amplitude
relativa da referência em comparação com a portadora (triangular). Tem-se, assim,
uma Modulação por Largura de Pulso. A tensão de saída, que é aplicada à carga, é
formada por uma sucessão de ondas retangulares de amplitude igual à tensão de
alimentação CC e duração variável. A Figura 31 mostra a modulação de uma onda
50
senoidal, produzindo na saída uma tensão com dois níveis, na frequência da onda
triangular.
Figura 31- Sinal com Modulação de Pulso.
3.2.2.2 Características dos inversores
Os inversores possuem característica que devem ser levadas em
considerações no momento de sua escolha:
Faixa útil de tensão contínua na entrada;
Tensão contínua máxima na entrada;
Número máximo de conjuntos de módulos ligados em série (strings);
Tensão de operação na conexão com a rede;
Frequência da corrente injetada na rede;
Grau de proteção;
Temperatura de operação;
Umidade relativa do ambiente;
Consumo de energia parado;
Consumo de energia noturno;
Potência de corrente contínua na entrada;
Potência de corrente alternada na saída;
Rendimento
51
3.2.2.3 Recursos e funções dos inversores
Os inversores de corrente possuem diversos recursos que auxiliam na
proteção do equipamento, são eles:
Chave de desconexão de corrente contínua: trata-se de uma chave
manual/automática que pode ser acionada para desconectar internamente os
módulos fotovoltaicos do circuito inversor.
Rastreamento do ponto de máxima potencia (MPPT): tem objetivo de garantir
que instantaneamente os módulos operem em seu ponto de máxima
potencia, qualquer que seja ele, independente das condições de operação.
Detecção de ilhamento e reconexão automática: função necessária e
obrigatória nos inversores, pois garante a segurança de pessoas,
equipamentos e instalações nas situações de interrupção do fornecimento de
energia elétrica da concessionária.
3.2.2.4 Requisitos dos inversores para a conexão de sistemas
fotovoltaicos à rede elétrica
Tensão de operação: As normas IEEE 1547 (Norte americana) estabelece o
comportamento do inversor na presença de distúrbios na tensão da rede de
acordo com a Tabela 2.
Tabela 2- Tempo de desconexão do inversor da rede elétrica na ocorrência de distúrbios de tensão.
Faixa de tensão (% do valor nominal)
Tempo de desconexão (s)
V < 50 0,1
50 ≤ V < 85 2
85 ≤ V ≤ 110 Operação normal
110 < V < 135 2
V ≥ 135 0,05
52
Frequência de Operação: A corrente que o inversor injeta na rede elétrica é
sincronizada com a tensão da rede, o que significa que a frequência de
operação do inversor é rigorosamente a mesma da rede. As recomendações
sobre a frequência de operação dizem respeito aos limites inferior e superior
de frequência dentro dos quais o inversor pode operar. Quando a rede
apresenta frequências fora desses limites, o inversor deve desconecta-se,
pois variações de frequência são indicativo de falha na rede ou de ilhamento
do sistema fotovoltaico. O IEEE permite a operação do inversor dentro do
intervalo de 59,3 Hz a 60,5 Hz.
Minimização de corrente contínua na rede: a injeção de corrente contínua
pelo inversor pode ocorrer devido a assimetria entre os semiciclos positivos e
negativos da corrente produzida pelo inversor. Essa assimetria causada por
diferenças nas larguras dos pulsos da tensão chaveada na saída do inversor,
deve ser monitorada e mantida dentro do limite recomendado, que pelo
padrão IEEE deve ser 0,5% da corrente nominal do inversor.
Distorção harmônica de corrente admissível: A distorção harmônica total
da corrente injetada pelo inversor na rede elétrica não pode ser superior a
5%. A Figura 32 representa uma corrente elétrica com elevada distorção
harmônica.
Figura 32- Corrente elétrica com elevada distorção harmônica.
53
Fator de Potência: Geralmente os inversores fotovoltaicos de pequena
potência como empregados nos sistemas de Micro e Minigeração são
programados para trabalharem com fator de potência unitário. Logo, os
sistemas de geração distribuída podem apresentar um fator de potência de
acordo com sua potência nominal conforme a Tabela 3.
Tabela 3- Relação potencia e fator de potencia.
Potencia Nominal ≤ 3kW FP igual a 1 com tolerância de trabalhar na faixa de 0,98 indutivo até 0,98 capacitivo.
Potencia Nominal 6kW ≤ P≤ 3kW FP ajustável de 0,95 indutivo até 0,95 capacitivo
Potencia Nominal > 6kW FP ajustável de 0,90 indutivo até 0,90 capacitivo
Atuação na detecção do ilhamento: de acordo com as normas para
conexão à rede elétrica, o inversor deve ser capaz de desconectar-se da rede
quando o sistema fotovoltaico ficar ilhado.
3.2.3 Quadro de proteção de corrente contínua (CC)
Além dos fusíveis conectados em série, incorpora-se uma chave de
desconexão CC e dispositivo de proteção de surto, onde deve haver também o
barramento de aterramento, necessário para coletar as ligações à terra das
estruturas metálicas e carcaças dos módulos fotovoltaicos.
3.2.4 Quadro de proteção de corrente alternada (CA)
O quadro de proteção de corrente alternada, conforme ilustrado na Figura 29,
faz a conexão entre os inversores do sistema fotovoltaico e a rede elétrica.
54
3.2.5 Normas e Procedimentos para conectar-se à rede.
A Agência Nacional de Energia Elétrica – ANEEL estabeleceu na Resolução
Normativa de Nº 482, de 17 de abril de 2012 as condições gerais para o acesso de
Microgeração e minigeração distribuída aos sistemas de distribuição de energia
elétrica, o sistema de compensação de energia elétrica, e tudo no que diz respeito a
esse processo.
O módulo 3 dos Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no
Sistema Nacional – PRODIST, traz todas as informações necessárias para o acesso
ao sistema de distribuição.
Junto à concessionária o interessado em aderir ao sistema de Microgeração
conectado ao sistema elétrico, deve atender as seguintes exigências:
Estar com as instalações elétricas de acordo com as normas técnicas;
Submeter o projeto das instalações elétricas à aprovação da Coelba;
Será classificado como Microgeração as Centrais de energia elétrica com
potência instalada igual ou inferior a 100 kW e como Minigeração as Centrais
de energia elétrica com potência instalada entre 101 kW e 1000 kW;
A potência instalada da Microgeração ou minigeração fica limitada à carga
instalada, no caso de unidade consumidora do grupo B, ou à demanda
contratada, no caso de unidade consumidora do grupo A. Caso deseje
instalar Microgeração ou minigeração distribuída com potência superior a sua
carga ou demanda atual, deve-se solicitar previamente a Alteração de
carga ou de demanda para que seja compatível com o valor desejado de
geração.
Informações necessárias ao solicitar o serviço
Formulário específico de Informações Básicas por tipo de fonte geradora,
conforme Anexo III da Norma de Conexão de Microgeradores e Anexo I da
Norma de Conexão de Minigeradores;
Carta de solicitação de acesso;
Projeto das instalações de conexão, incluindo memorial
descritivo, localização, arranjo físico e diagramas;
55
ART (Anotação de Responsabilidade Técnica) de projeto do Sistema de
Geração Distribuída (A atividade Técnica deverá ser “PROJETO / GERAÇÃO
DE ENERGIA ELÉTRICA / SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA
ELÉTRICA” e a unidade da quantidade deverá ser "kW");
Lista contendo as Unidades Participantes do Sistema de Compensação de
Energia, conforme Anexo VI da Norma de Conexão de Microgeradores e
Anexo III da Norma de Conexão de Minigeradores;
Formulário de Registro de mini e microgeradores, conforme Anexo V da
Norma de Conexão de Microgeradores e Anexo II da Norma de Conexão de
Minigeradores;
Caso o titular da instalação seja Pessoa Jurídica: Cartão CNPJ e Contrato
social ou estatuto social da empresa;
RG/CPF do responsável legal (titular ou representante legal devidamente
autorizado);
Procuração, caso seja necessário;
Carta de Autorização do responsável legal para o projetista, devidamente
assinada;
O Formulário de Informações Básicas, a Carta de solicitação de acesso, o
Formulário de Registro, o Projeto das instalações de conexão (incluindo
memorial descritivo e diagramas), e a ART deverão estar assinadas pelo
responsável técnico e pelo responsável legal;
Todos os documentos necessários deverão ser apresentados em três vias.
3.2.6 Dimensionamento do Sistema Fotovoltaico conectado à rede de
distribuição de energia elétrica
Para realizar um projeto de um sistema fotovoltaico, temos que dimensionar
todos os componentes que fazem parte do processo de geração e distribuição da
energia fornecida pelo gerador fotovoltaico. A figura 31 mostra o esquema do
sistema fotovoltaico conectado à rede.
56
Figura 33- Esquema do Sistema conectado a rede.
3.2.6.1 Dimensionamento do gerador fotovoltaico
Para dimensionarmos o gerador fotovoltaico, temos que levar em
consideração alguns fatores influentes nesse processo. O principal deles é o índice
de irradiação, que varia de acordo com cada localidade, e é medido em (kWh/m2.dia)
para 5h no dia, que é a média de irradiação plena no Brasil.
Geralmente em projetos de dimensionamentos de sistemas fotovoltaicos,
utilizamos o mês crítico na escolha da irradiação que será adotada pelo projeto.
Dessa forma, adotaremos o pior mês como referencia de irradiação, ou seja 5,04
(kWh/m2.dia) (CRESESB, 2004).
57
Podemos calcular a potencia de um microgerador que compõe o SFCR pela
equação:
(8)
Sendo:
– potencia de pico do painel
– Consumo diário médio anual da edificação
- Taxa de desempenho
- Média diária anual das HSP (Horas de sol pleno) incidente no plano do
painel FV.
Onde a taxa de desempenho é influenciado diretamente pela temperatura e
pela tecnologia utilizada na fabricação dos painéis solares.
3.2.6.2 Dimensionamento do inversor
Para dimensionar o inversor utilizado no projeto, temos que levar em
consideração alguns fatores:
Potência nominal em corrente alternada do inversor;
Potência de pico do painel fotovoltaico;
Máxima tensão CC admitida pela entrada do inversor;
Tensão em circuito aberto ( do módulo FV na menor temperatura de
operação prevista;
Tensão de potência máxima ( ) de um módulo FV na menor e maior
temperatura de operação prevista;
Corrente máxima CC admitida na entrada do inversor;
Corrente de curto-circuito do módulo FV.
O limite da tensão de entrada dos inversores não pode ser ultrapassada, logo
o número de módulos conectados em série deve ser estabelecido de forma que isso
não ocorra. O mesmo vale para a corrente máxima de entrada do inversor. Para
58
garantir que este valor não seja ultrapassado, calcula-se o número máximo de
fileiras das séries fotovoltaicas, conectadas em paralelo.
(9)
Onde:
(A) : corrente máxima CC admitida na entrada do inversor.
(A): corrente de curto-circuito do módulo FV.
3.2.6.3 Dimensionamento do número de módulos
Para determinar a quantidade de módulos a serem instalados, deve-se
conhecer as características do módulo que são estabelecidas pelo fabricante.
Sabendo dessas informações, calcula-se a insolação diária de cada módulo, que é
dada em [kWh/m2/dia].
Uma vez calculada a energia produzida por um módulo e conhecendo-se o
valor da energia que se deseja produzir diariamente ou mensalmente, determina-se
a quantidade de módulos necessários no sistema fotovoltaico:
(10)
Sendo:
: Número de módulos da instalação fotovoltaica
: Energia produzida pelo sistema [kWh] no intervalo de tempo considerado.
: Energia produzida por um módulo [kWh] no mesmo intervalo de tempo.
59
3.2.6.4 Dimensionamento das instalações do lado de corrente alternada.
As conexões elétricas são dimensionadas e construídas de acordo com as
técnicas convencionais das instalações elétricas em baixa tensão, que são
estabelecidas na norma ABNT NBR 5410:2004.
Os condutores devem ser dimensionados de acordo com os critérios de
capacidade de corrente, queda de tensão e método de instalação. Os dispositivos de
proteção, como disjuntores termomagnéticos e interruptores diferenciais residuais,
presentes obrigatoriamente nas instalações elétricas em baixa tensão, são
especificados e dimensionados de acordo com técnicas já conhecidas.
3.2.6.5 Dimensionamento dos cabos no lado de corrente contínua
Cabos com isolação convencional podem ser utilizados em instalações
abrigadas em calhas ou eletrodutos. Em instalações com cabeamento aparente
devem ser empregados cabos com proteção contra a radiação ultravioleta e
fabricados para suportar temperaturas extremas.
Os cabos que fazem a conexão entre os módulos e o inversor devem ter
tensão de 300V a 1000V e sua capacidade de condução de corrente deve ser 25%
superior a de curto-circuito dos módulos fotovoltaicos, ou seja:
(11)
Onde:
: Corrente suportada pelos cabos elétricos nas instalações de corrente contínua
: Corrente de curto-circuito dos módulos nas condições padrão de teste (STC).
As quedas de tensões em corrente contínua devem estar entre 1% e 3%. O
dimensionamento dos cabos é feita conforme aplicado nas instalações
convencionais, que são através do critério da capacidade de condução de corrente,
estabelecida nas tabelas características dos condutores disponibilizadas pelos
60
fabricantes, e pelo critério da queda de tensão , levando em conta a resistividade do
condutor escolhido.
3.2.6.6 Dimensionamento dos fusíveis no lado de corrente contínua
Segundo a norma IEC 60364, em conjuntos com até dois strings paralelos, não é
necessário empregar fusíveis para proteção, a partir de três é necessário empregar
os fusíveis para a proteção contra corrente reversa dos módulos.
A corrente máxima suportada pelos fusíveis é calculada como:
(12)
Sendo:
: Corrente de curto-circuito do strings nas condições padrão de teste [A].
: Corrente nominal do fusível [A].
: Corrente reversa suportada pelo módulo fotovoltaico especificada na folha de
dados do fabricante [A].
A expressão diz que a corrente suportada pelo fusível deve ser 10% maior do
que a corrente de curto-circuito do módulo.
A norma IEC 60364 também estabelece que conjunto fotovoltaico com mais
de dois strings paralelos deve atender a seguinte condição:
(13)
Onde:
: Corrente reversa máxima presente no circuito [A]
: Número de strings ligados em paralelo
: Corrente de curto-circuito do strings nas condições padrão de teste [A].
61
3.2.6.7 Escolha dos diodos no lado de corrente contínua
Os diodos conectados em série devem ter capacidade de suportar o dobro da
tensão de circuito aberto do conjunto ou dos strings, ou seja:
(14)
Sendo:
: Tensão reversa suportada pelos diodos em série com os strings de módulos.
: Tensão de circuito aberto do conjunto ou dos strings nas condições padrões
de teste.
62
4. ESTUDO DE CASO: PROJETO DE DIMENSIONAMENTO DE UM SISTEMA
FOTOVOLTAICO PARA ALIMENTAR UMA CARGA DE 60KVA.
4.1 Memorial Descritivo
4.1.1 Objetivos
Este projeto tem por objetivo a conexão de Microgeração distribuída, que
utiliza energia solar como fonte, ao sistema elétrico da Companhia Energética de
Pernambuco - CELPE, adotando as condições de acesso e critérios técnicos,
operacionais e requisitos de projeto aplicáveis à conexão de Microgeração
distribuída ao sistema de distribuição da CELPE, de forma a garantir que ambos os
sistemas, após a conexão, operem com segurança, eficiência, qualidade e
confiabilidade.
4.1.2 Referencias Normativas
4.1.2.1 Legislação – ANEEL
Resolução Normativa Nº 482, de 17 de abril de 2012 – Acesso a
Microgeração e minigeração distribuídas aos sistemas de distribuição de
energia elétrica e o sistema de compensação de energia elétrica;
PRODIST – Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema
Elétrico Nacional.
4.1.2.2 Normas Técnicas da CELPE
SM04.08-00.003 - Norma de Acesso, Conexão e Uso do Sistema de
Distribuição por Agentes Geradores de Energia Elétrica - 2ª Edição -
23/10/2008;
SM04.08-01.003 - Norma de Fornecimento de Energia Elétrica em Média
Tensão de Distribuição à Edificação Individual - 6ª Edição - 15/08/2014;
63
SM04.08-01.009 - Norma de Conexão de Minigeração ao Sistema de
Distribuição em Média Tensão - 2ª Edição - 27/12/2013.
4.1.3 Central Geradora
A central geradora terá potência instalada de 60 kW, usando como fonte de
geração a energia solar, será conectada à rede de média tensão de distribuição por
meio de instalações da unidade consumidora. A unidade consumidora está
interligada à rede trifásica em 13,8 kV.
4.1.3.1 Unidade Consumidora
Empresa: Canteiro de Obra Ind. Com. LTDA
Endereço: Avenida 07 de setembro,15,Distrito Industrial, Petrolina-PE;
CNPJ: 08.010.381/0001-00;
Telefone: (87) 3983-3000;
Email:
Finalidade: Microgeração Solar Comercial;
Conta Contrato: A ser definida;
Rede trifásica a 3 fios, individual, média tensão, aérea;
Tensão de Fornecimento: 13,8 kV.
4.1.3.2 Unidade Geradora
A energia será gerada por grupos de módulos fotovoltaicos, sendo entregue a
rede por meio de inversores de frequência em conexão trifásica, de acordo com o
Diagrama Unifilar anexo. A mostra na Tabela 4, a potência divisão dos grupos.
64
Tabela 4- Quadro de Geração instalada.
Potência Instalada Total CC (kWp) 60,00
Potência Instalada Total CA (kW) 58,80
Área Total da Usina (m²) 487,08
Módulos da Usina Fotovoltaica (unid.) 240
Arranjos Nº de Placas por
Arranjo Área do Arranjo (m²)
Potência de Pico CC (Wp)
Potência de Pico CA
(Wp)
1 80 162,36 20000 19600
1 80 162,36 20000 19600
1 80 162,36 20000 19600
Os módulos serão instalados sobre o telhado da Unidade Consumidora,
utilizando como suporte a estrutura do telhado existente e serão orientados
preferencialmente para o norte geográfico, a fim de obter a maior exposição à
radiação solar.
4.1.4 Data de Entrada em Operação
A data prevista para entrada em operação é imediata.
4.1.5 Equipamentos
A seguir serão descritos os equipamentos que compõem o sistema da
Unidade Geradora.
65
4.1.5.1 Módulos Fotovoltaicos
Tabela 5- Quadro de Geração instalada. Fonte: NEOSOLAR
Fabricante Yingli
Modelo YL250P-29b
Potência Máxima (W) 250
Tensão de Circuito Aberto VOC (V) 37,6
Corrente de Curto Circuito ISC (A) 8,92
Tensão do Ponto de Máxima Potência (V) 29,8
Corrente do Ponto de Máxima Potência (A) 8,39
4.1.5.2 Inversor de Frequência
Tabela 6- Ficha Técnica do Inversor de Frequência. FONTE: NEOSOLAR.
Fabricante Fronius
Modelo Symo 20.0.3-M
Entrada em Corrente Contínua
Tensão de Entrada (V) 200 - 1000
Número de MPPT independentes 2
Número de entradas CC 6
Faixa de Tensão MPPT (V) 420 - 800
Máxima corrente de entrada (A) 51,0
Saída em Corrente Alternada
Potência Nominal CA (W) 20000
Potência de Saída Máxima (VA) 20000
Corrente Nominal de Saída (A) 28,9
Ligação a Rede 380 V/ 220 V
Frequência (Hz) 60
Gama de Frequências (Hz) 45 - 65
Distorção Harmônica (%) 1,3 %
Fator de Potência 0 – 1 ind./cap.
Proteções
Anti Ilhamento Sim
Sub Frenquência Sim
Sobre Frenquência Sim
Sub Tensão Sim
Sobre Tensão Sim
Sincronismo Sim
Polaridade Reversa Sim
66
4.1.6 Proteções Elétricas
Este item fornece informações e considerações relevantes a operação segura
e correta do sistema de geração distribuída conectado à rede elétrica.
4.1.6.1 Proteção Contra Curto-Circuito
O sistema de geração distribuída possui dispositivo de proteção contra
sobrecorrentes, a fim de interromper o fornecimento de energia, bem como
proporcionar proteção à rede da CELPE e da unidade consumidora contra eventuais
defeitos no sistema de geração. Tal proteção é coordenada com a proteção geral da
unidade consumidora, através de disjuntor termomagnético, conforme diagrama
simplificado anexo.
Proteção para cada de Inversor 20,0 kW – Disjuntor termomagnético tripolar
de corrente nominal 40 A, curva B, Icc min 3kA.
Bem como um disjuntor geral de 125 A, curva B, Icc min 3 kA.
4.1.6.2 Seccionamento
O seccionamento tem capacidade de condução e abertura compatível com a
potência da unidade consumidora a ser instalado após medição, com localização e
especificação conforme diagrama unifilar.
4.1.6.3 Aterramento
O sistema de geração distribuída deverá estar conectado ao sistema de
aterramento da unidade consumidora.
4.1.6.4 Proteções Incorporadas e Integrantes ao Inversor empregado
Anti Ilhamento.
67
Sub frequência – proteção parametrizável de acordo com a necessidade do
sistema;
Sobre frequência - proteção parametrizável de acordo com a necessidade do
sistema;
Sub Tensão - proteção parametrizável de acordo com a necessidade do
sistema;
Sobre Tensão - proteção parametrizável de acordo com a necessidade do
sistema;
Sincronismo;
Polaridade Reversa.
4.1.7 Sinalização de Segurança
Junto ao padrão de entrada de energia, próximo a caixa de medição/proteção,
deve ser instalada uma placa de advertência com os seguintes dizeres: “CUIDADO –
RISCO DE CHOQUE ELÉTRICO – GERAÇÃO PRÓPRIA”. A placa de advertência
deverá ser confeccionada em PVC com espessura mínima de 1 mm.
Para identificação dos medidores de fluxo direto e de fluxo reverso, deve ser
fixada logo acima da caixa dos medidores uma placa de sinalização indicando a
caixa com o medidor de consumo (Fluxo direto) e a caixa com o medidor de geração
(Fluxo reverso), conforme Detalhe 2 do Anexo 4/4 – Planta de Situação. As placas
devem ser confeccionadas em PVC, aço inoxidável ou alumínio nas dimensões de
10 x 5 cm, com espessura mínima de 1 mm.
Deve-se providenciar a confecção e solicitar a instalação à CELPE, de uma
bandeirola de advertência, a ser fixada no ramal de ligação que atende à unidade
consumidora com Microgeração.
68
4.2 Diagrama Unifilar
69
4.3 Diagrama Trifilar
4.4 Previsão Orçamentária
Tabela 7- Previsão Orçamentária
Quantidade Descrição Valor Unit. (R$) Valor (R$)
4 Inversores Fronius Symo 20.0.3-M 26.690,00
106.760,00
240 Placas Solares Yingli YL250P-29b 988,00
237.120,00
1 Materiais Elétricos 35.000,00
35.000,00
1 Estrutura 52.000,00
52.000,00
1 Instalação 40.000,00
40.000,00
1 Frete 1.800,00
Total 472.680,00
70
4.5 Retorno do Investimento
A Tabela 8 segue controle do consumo e os custos com a concessionária em
2015.
Tabela 8- Controle consumo Canteiro de Obras 2015.
JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ TOTAIS
DEMANDA FATURADA 57,81 60,45 60,00 60,00 55,41 49,82 44,53 46,31 52,52 55,53 56,89 53,51 652,78
DEMANDA REGISTRADA 56,40 58,98 53,76 54,84 54,06 48,60 43,44 45,18 51,24 54,18 55,50 52,20 628,38
CONSUMO ENERGIA NA PONTA 1.186,61 738,00 591,50 578,03 1.081,77 1.016,72 1.035,31 1.097,40 1.038,24 1.123,79 661,73 639,20 10.788,30
CONSUMO ENERGIA
FORA DE PONTA 13.413,15 14.450,96 13.290,15 12.715,13 12.495,26 11.572,76 10.228,99 10.574,93 11.319,08 12.772,01 12.489,11 13.076,44 148.397,97
VALOR DA CONTA 6.991,11 7.516,33 6.877,44 7.052,67 8.716,54 8.261,99 7.739,00 7.716,79 7.727,40 8.840,32 7.781,63 7.782,73 93.003,95
TARIFA MÉDIA (R$) 0,48 0,49 0,50 0,53 0,64 0,66 0,69 0,66 0,63 0,64 0,59 0,57 0,58
Para calcularmos o tempo de retorno do investimento, precisamos saber
quanto o sistema fotovoltaico gera de kWh/mês levando em consideração os dados
solarimétricos da cidade de Petrolina.
De acordo com a Tabela 9, o índice de irradiação solar para a cidade de
Petrolina, adotando o mês crítico é 5,04kWh/m2.dia.
Tabela 9- Dados solarimétricos - Cidade: Juazeiro/BA. Fonte: CRESESB
Para uma geração de 60kW de pico e o índice solarimétricos de 5,04,
calculamos o consumo mensal de:
(15)
Dessa forma, uma demanda contratada de 60kW fica limitada a gerar
9.072kWh/mês, que pela Tabela 8, não supri todo o consumo mensal.
71
A Tabela 10 mostra o resultado obtido com as compensações entre geração e
o consumo de energia elétrica, e o tempo de retorno do investimento.
Tabela 10- Análise do investimento e tempo de retorno.
Custo Anual com Concessionária (R$) 93.918,54
Investimento Geração Fotovoltaica (R$) 472.680,00
Custo Anual com Demanda (R$) - Tarifa R$ 18,12 13.011,21
Custo anual com consumo na Ponta (R$) - Tarifa R$1,72 20.411,46
Custo anual residual Consumo Fora de Ponta (R$) - Tarifa 0,33 14.350,00
Tempo de Retorno (anos) 5,54
72
5. CONCLUSÃO
A procura por energias renováveis esta crescendo consideravelmente nos
últimos tempos e, tendo em vista o grande potencial de irradiação solar em nossa
região, a perspectiva de crescimento para a geração de energia fotovoltaica são as
melhores possíveis, abrindo um novo mercado para o segmento de projeção e
implantação de sistemas fotovoltaicos residenciais, comerciais, industriais, rurais e
etc.
Sabemos que o custo do investimento em sistemas fotovoltaicos ainda é
elevado, mas com a crescente procura, pesquisas voltadas a geração de energia
fotovoltaica tem facilitado os processos construtivos das células e painéis, bem
como barateado a sua produção.
No projeto realizado não foi estabelecido valores precisos, apenas uma
estimativa, podendo concluir que por volta de aproximadamente 6 anos, o
investimento será pago e, como os sistemas fotovoltaicos possuem 25 anos de vida
útil, restam 16 anos para o cliente usufruir do sistema fotovoltaico instalado.
Dessa forma, vemos que a cada dia o tempo de retorno dos investimentos
com sistemas fotovoltaicos diminuem, pois o custo, mesmo que de forma lenta, vem
diminuindo e os incentivos governamentais para a utilização de energias renováveis
estão crescendo, tornando o acesso mais fácil para implantação dos mesmos.
Vale lembrar também a capacidade de absorção de energia advinda do Sol
em nossa região do Vale do São Francisco, que é uma das mais favorecidas para
essa modalidade de energia renovável, influencia ainda mais no crescimento de
instalação de sistemas fotovoltaicos.
73
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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fotovoltaicos para geração de energia elétrica residencial na Região do Vale do
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Vale do São Francisco – UNIVASF. 2014.
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Santa Catarina – UFSC. 1999.
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natural. Disponível em: <http://www.ige.unicamp.br/terraedidatica/>. Acesso em: 24.
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VILLALVA, G. M; GAZOLI, J. R. Energia solar fotovoltaica; conceitos e aplicações.
1ª Edição. Editora Érica Ltda. São Paulo. 2013.
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ANEXO A – Índice de radiação Solar em Juazeiro/Petrolina (MJ/m2.dia).
76
ANEXO B – Temperatura média Juazeiro/Petrolina (ºC)
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ANEXO C – Formulário de Registro
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ANEXO D – Carta de solicitação de acesso junto a Concessionária
Cidade, x de x, de 20xx.
À CELPE
Solicitação de Acesso de Micro/Minigerador
Prezados Senhores,
Estamos encaminhando o projeto elétrico, em três vias, referente à conexão da
micro/minigeração
compreendida por inversor de tensão e módulos solares (a depender da fonte) que totalizam
(capacidade
instalada) kW de potência instalada a serem conectados na unidade consumidora de conta
contrato X,
instalação Y. Este sistema será interligado à rede de distribuição da concessionária através
de padrão de
medição composto por (um/dois) medidore(s) e um disjuntor (tensão V e XX A). O ramal de
ligação
(mono/bi/trifásico) será composto por condutores de XX mm² tanto para fase como para o
neutro.
Cliente:
CNPJ:
Empreendimento:
Ramo de atividade:
Endereço de ligação:
Proprietário: Nome completo
CPF / RG:
Telefone:
Email:
Potência instalada total: xx,x kW
Tensão de operação: x V
Conta contrato e instalação da carga associada:
Responsável técnico: Nome e sobrenome - CREA nº xxx;
Email:
Possui outra instalação de mesmo CPF/CNPJ para compensação de créditos? _ Sim _
Não
Seguem em anexo, em três vias:
Carta de Solicitação de Acesso;
Formulário específico de Informações Básicas por tipo de fonte geradora, conforme
Anexo III da Norma de Conexão de Microgeradores e Anexo I da Norma de Conexão
de Minigeradores;
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Projeto das instalações de conexão, incluindo memorial descritivo, localização,
arranjo físico e diagramas;
ART (Anotação de Responsabilidade Técnica) de projeto do Sistema de Geração
Distribuída (A atividade Técnica deverá ser “PROJETO / GERAÇÃO DE ENERGIA
ELÉTRICA / SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA” e a unidade da
quantidade deverá ser "kW");
Lista contendo as Unidades Participantes do Sistema de Compensação de energia,
conforme Anexo VI da Norma de Conexão de Microgeradores e Anexo III da Norma
de Conexão de Minigeradores;
Formulário de Registro de mini e microgeradores, conforme Anexo V da Norma de
Conexão de Microgeradores e Anexo II da Norma de Conexão de Minigeradores;
Caso o titular da instalação seja pessoa jurídica, cartão CNPJ e contrato social ou
estatuto social da empresa;
RG/CPF do responsável legal (titular ou representante legal devidamente
autorizado);
Procuração, caso seja necessário;
Carta de autorização do responsável legal para o projetista, devidamente assinada;
O Formulário de Informações Básicas, a Carta de solicitação de acesso, o
Formulário de Registro, o Projeto das instalações de conexão (incluindo memorial
descritivo e diagramas), e a ART deverão estar assinadas pelo responsável técnico e
pelo responsável legal;
Todos os documentos necessários deverão ser apresentados em três vias.
Atenciosamente,
____________________________________
Responsável técnico ou empresa contratada
CREA nº XXX
