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