escola da energia energia fotovoltaica guia prático de dimensionamento

Energia Fotovoltaica: Guia Prtico de Dimensionamento Verso 1.0

Verifique se voc est com a verso atualizada em http://www.escoladaenergia.com

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O que voc vai encontrar no manual

1. Conceitos Fundamentais

2. Como identificar o recurso solar local

3. Como fazer o levantamento do consumo

4. Como escolher o mdulo fotovoltaico

5. Produo de energia

6. Clculo do nmero de mdulos

7. Componentes do sistema fotovoltaico

8. Exemplo de dimensionamento

Autor

A Escola da Energia foi criada para ajudar engenheiros,

tcnicos, estudantes e outros interessados em energias

renovveis a entender os princpios de funcionamento das

tecnologias de aproveitamento da energia solar e elica,

tanto para gerao de eletricidade quanto para

aquecimento de gua.

Para que eles possam aproveitar as oportunidades de

negcios e desenvolver suas carreiras na rea de energia

renovveis.

Sem que percam tempo e dinheiro buscando diversas

fontes de informaes.

Espero que esse guia possa ser til para voc. No deixe

de visitar o site http://www.escoladaenergia.com

Um grande abrao,

Daniel Coelho



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1 Conceitos Fundamentais

O dimensionamento do sistema fotovoltaico uma das

etapas mais importantes de um projeto de instalao

fotovoltaica. A partir do dimensionamento dos

componentes do sistema possvel iniciar a anlise de

viabilidade tcnica e econmica do uso do sistema

fotovoltaico.

Partindo do princpio que existem leitores iniciantes e

avanados em relao a tecnologia fotovoltaica,

comearemos no nvel mais bsico a fim de atender as

necessidades da maioria dos leitores.

Um sistema fotovoltaico tem como principal componente

os mdulos fotovoltaicos, responsveis pela transformao

da energia solar em eletricidade. Os mdulos fotovoltaicos,

porm, no trabalham sozinho. Para alimentar as cargas

eltricas so necessrios outros componentes. Para cada

tipo de aplicao h componentes diferentes.

As duas principais aplicaes dos sistemas fotovoltaicos

so:

Sistema fotovoltaico isolado da rede eltrica.

Sistema fotovoltaico conectado a rede eltrica.



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2 Como Identificar o Recurso

Solar no Local

A disponibilidade do recurso solar no local o ponto mais

importante para o projeto de um sistema fotovoltaico. No

adianta ter o mdulo mais eficiente e instalao mais

perfeita se no h radiao solar suficiente no local.

Medir a radiao solar existente em um local no uma

tarefa simples. So necessrios medidores especficos,

como por exemplo, o piranmetro para medir a radiao

solar global e o pirelimetro para medir a radiao solar

direta. Alm disso, a medio deve ser feita por um

perodo de pelo menos um ano para identificar a

sazonalidade existente.

Para um dimensionamento preliminar do sistema no

necessrio realizar todas essas medidas. Uma forma mais

fcil usar os bancos de dados de radiao solar

existentes. A figura abaixo mostra o mapa de radiao

solar no Brasil.

Fonte: (ENIO BUENO PEREIRA et al., 2006)



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De acordo com o mapa possvel perceber que a radiao

solar mdia diria no Brasil varia entre 4 e 6 kWh/m2/dia.

Os valores fornecidos pelo mapa so mdias dirias, no

sendo possvel avaliar a variao da radiao solar ao

longo do ano.

Entretanto, para efeito de dimensionamento do sistema os

dados so suficientes para uma analise preliminar.

Caso seja necessrio um acompanhamento mais rigoroso

da radiao solar ao longo do ano existem outras

ferramentas disponveis.

Uma delas, que gratuita, o programa SunData

disponvel no site do Cresesb (Centro de Referncia para

Energia Solar e Elica Srgio de Salvo Brito).

Voc vai precisar apenas das coordenadas geogrficas do

local, ou seja, longitude e latitude.

Uma vez identificada a radiao solar presente no local da

instalao fotovoltaica o prximo passo identificar o

consumo de energia eltrica a ser suprido com os mdulos

fotovoltaicos.



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3 Como Fazer o Levantamento do

Consumo de Energia

Identificar o consumo de energia eltrica de forma

adequada fundamental para o bom funcionamento do

sistema. No caso do sistema isolado da rede essa etapa

ainda mais importante, pois nesse caso se a energia no for

suficiente para alimentar as cargas no haver a rede

eltrica para funcionar como fonte de reserva.

A identificao do consumo de eletricidade em sistema

conectado a rede mais simples. Bastas analisar as contas

de energia eltrica fornecida pela concessionria de

energia eltrica local durante o ltimo ano.

importante verificar o consumo durante o ano para

identificar os valores mximos, mnimos e a mdia de

consumo de energia eltrica.

Com base nos valores de consumo pode-se comear a

analisar o consumo que deve ser atendido. Optando-se por

atender o consumo mnimo existiro meses do ano que a

demanda no ser totalmente atendida. Por outro lado, se o

sistema for dimensionado para o consumo mximo,

existiro meses com excesso de energia. Escolhendo o

consumo mdio, alguns meses tambm no tero a

demanda totalmente atendida.

Considerando que o sistema se beneficiar da resoluo da

ANEEL para interligao de sistemas de gerao

distribuda proveniente de fontes renovveis a princpio a

escolha do valor de consumo mnimo, mximo ou mdio

no representa um problema, em termos de funcionamento

do sistema.

Nos meses com excesso de gerao a energia pode ser

injetada na rede para ser compensada nos meses em que a

gerao no for suficiente para atender o consumo.



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Para efeito de dimensionamento do sistema fotovoltaico

ser considerado o valor mdio de consumo.

Uma observao importante. Na prtica esse no seria o

valor ideal. De acordo com a resoluo da ANEEL para

interligao de sistemas de gerao distribuda proveniente

de fontes renovveis, o consumidor deve arcar com o custo

de disponibilidade da rede eltrica. Nesse caso o

consumidor paga o equivalente ao consumo de 100

kWh/ms no caso de utilizar um sistema trifsico, 50

kWh/ms para sistema bifsico e 30 kWh/ms para sistema

monofsico.

A situao mais apropriada seria escolher o valor de

consumo mdio e abater o valor referente ao consumo

mnimo que o consumidor tem que pagar consumindo ou

no a energia da rede.

Identificar o consumo de energia em sistemas isolado da

rede mais complexo. O dimensionamento do sistema

isolado da rede deve ser mais preciso, pois nesse caso a

rede eltrica no est presente para servir de fonte de

reserva.

O primeiro ponto para identificar o consumo o correto

levantamento da potncia de todos os equipamentos que

estaro presentes na instalao. A potncia dos

equipamentos pode ser encontrada nos prprios

equipamentos.

Em seguida deve ser estimado o tempo de uso de cada

equipamento. O consumo de energia calculado

multiplicando-se a potncia de cada equipamento pelo seu

tempo de uso.



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4 Como Escolher o Mdulo

Fotovoltaico

As principais tecnologias de clulas fotovoltaicas

disponveis comercialmente so: silcio monocristalino,

silcio policristalino e filme fino.

As clulas de silcio cristalino so dividas em clulas

monocristalinas, policristalinas e Arseneto de

Glio(GaAs).

As principais clulas de filme fino so: silcio amorfo,

telureto de cdmio (CdTe), sulfureto de cdmio (CdS) e

cobre-ndio-galio-selnio (CIGS). Alm disso, as clulas

de filme fino podem ser de juno simples, dupla ou tripla.

Existem tambm outros tipos de clulas fotovoltaicas em

desenvolvimento.

Para o dimensionamento do sistema fotovoltaico as

caractersticas mais importantes dos mdulos fotovoltaicos

so suas dimenses fsicas e o seu rendimento.



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5 Produo de Energia

O clculo da energia produzida pelo mdulo fotovoltaico

pode ser feito por meio do mtodo da insolao.

O mtodo da insolao consiste no uso da seguinte

frmula:

EFV = Esol . A .

Onde:

EFV = Energia produzido pelo mdulo fotovoltaico [Wh]

Esol = Radiao solar mdia diria no local [kWh/m2/dia]

A = rea do mdulo fotovoltaico

= Rendimento do mdulo

O mtodo considera que os mdulos foram instalados em

condies ideias, com uso dos recursos de MPPT

(Maximum Power Point Tracking Rastreamento do

Ponto de Mxima Potncia).



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6 Clculo do Nmero de Mdulos

Fotovoltaicos

A quantidade de mdulos fotovoltaicos necessrios para

atender a carga pode ser calculada dividindo-se a energia

que se deseja atender pela energia produzida por cada

mdulo.

N = Econsumo / EFV

Onde:

N = Nmero de mdulos fotovotaicos

Econsumo = Consumo de energia

EFV = Energia produzida pelo mdulo fotovoltaico



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7 Componentes do Sistema

Fotovoltaico

Os outros equipamentos do sistema fotovoltaico, alm dos

mdulos, dependem do tipo de configurao utilizada.

Os equipamentos do sistema de proteo, assim como os

cabos e as conexes no esto sendo considerados. Esses

componentes seguem as regras utilizadas nas instalaes

eltricas tradicionais encontradas na norma NBR 5410.

Equipamentos do Sistema Fotovoltaico

Isolado

Mdulos Fotovoltaicos

Baterias

Controlador de Carga

Inversor



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Bateria

As baterias tem papel fundamental nos sistemas

fotovoltaicos isolados da rede. Elas so responsveis por

armazenar a energia produzida pelos mdulos para serem

usadas quando o Sol no estiver presente.

Os principais tipos de baterias encontrados no mercado

so: automotivas, de trao e estacionrias.

As baterias automotivas so projetadas para descargas

rpidas com alta taxa de corrente e profundidade de

descarga reduzida. Geralmente descarregam 20% em uso

normal.

As baterias de trao operam em regime de ciclos dirios

profundos e taxa de descarga moderada.

Baterias estacionrias permanecem em flutuao,

estado de carga prximo a plena carga, e so solicitadas

ocasionalmente. Baterias estacionrias de ciclo profundo

podem descarregar-se at 50% ou 80%.

As baterias utilizadas em sistemas de fontes alternativas

so projetadas para ciclos dirios rasos com reduzida taxa

de descarga, porm devem suportar descargas profundas

espordicas, perodos com escassez de recurso.

O dimensionamento do banco de baterias deve considerar:

O consumo dirio de energia;

A autonomia, nmero de dias que o banco de

bateria pode atender o consumo sem que

haja produo de energia em dias de pouca

insolao;

A profundidade do ciclo de descarga da

bateria.



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Controlador de Carga

O controlador de carga utilizado para fazer a conexo

entre os mdulos fotovoltaicos e a bateria do sistema. A

funo do controlador de carga garantir o fluxo de

energia entre as fontes de gerao e o banco de baterias,

evitando a sobrecarga, a descarga excessiva e controlando

o carregamento das baterias. Garantindo dessa forma a

maior vida til para as baterias.

Para evitar a sobrecarga das baterias o controlador de carga

desconecta os mdulos fotovoltaicos quando a bateria est

totalmente carregada. No caso da proteo contra descarga

excessiva o controlador de carga interrompe o

fornecimento de energia para a carga quando a bateria

atingir o nvel de carga mnimo de segurana.

O gerenciamento da carga da bateria depende do uso de

controladores mais sofisticados que possuem as funes de

respeitar o perfil de carga das baterias (controlador PWM)

e fazer com que os mdulos fotovoltaicos operem no ponto

de mxima potncia (controlador MPPT).

O dimensionamento do controlador de carga considera a

tenso de operao e a corrente eltrica fornecida pelos

mdulos fotovoltaicos.

Deve ser usado um fator de segurana de 30% para

garantir que a corrente do controlador de carga no seja

excedida.



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Inversor

A principal funo de um inversor transformar corrente e

tenso eltricas contnua, normalmente fornecidas pelos

mdulos fotovoltaicos ou bancos de baterias, em corrente e

tenso eltrica alternada demandada pela maioria das

cargas.

De uma forma bem simplificada, o princpio de

funcionamento do inversor consiste em um circuito

eletrnico com chaves interligadas de forma a permitir ou

interromper a passagem da corrente contnua produzindo

uma corrente de sada na forma alternada.

O dimensionamento do inversor deve considerar a potncia

total dos equipamentos atendidos pelo sistema. Alm

disso, deve ser respeitada as suas tenses de entrada

(contnua) e sada (alternada).

Principais Tipos de Inversores

Inversores de Onda Quadrada

Inversores de Onda Senoidal Modificada

Inversores de Onda Senoidal Pura

Inversores Interativos com a Rede



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Equipamentos do Sistema Fotovoltaico

Conectado a Rede

Inversor para sistema conectado rede

Nos sistemas fotovoltaicos conectados a rede, alm dos

mdulos, o inversor o principal equipamento a ser

dimensionado.

Os inversores utilizados para fazer a conexo dos sistemas

de gerao de energia com a rede eltrica devem fornecer

corrente alternada na forma senoidal em sincronismo de

fase com a rede.

Alm disso, os inversores para conexo rede devem

atender aos seguintes requisitos:

Tenso de operao;

Frequncia de operao;

Minimizao de corrente contnua na rede

eltrica;

Distoro harmnica de corrente admissvel;

Fator de potncia;

Atuao na deteco de ilhamento;

Normas brasileiras.

O dimensionamento do inversor para sistemas

fotovoltaicos conectados a rede deve considerar os

seguintes pontos:

A soma da tenso de circuito aberto dos

mdulos fotovoltaicos ligados em srie no

deve ultrapassar a tenso mxima permitida

na entrada do inversor.

A potncia do inversor deve ser igual ou

maior que a potncia de pico dos mdulos

fotovoltaicos.



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EXEMPLOS DE DIMENSIONAMENTO



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Sistema Isolado

Dimensionamento de um sistema fotovoltaico para atender

um residncia isolada da rede eltrica.

Equipamentos a serem atendidos

4 lmpadas de 25W ligadas durante 4 horas por dia

2 lmpadas de 15W ligadas durante 2 horas por dia

1 geladeira de 250W ligada durante 10 horas por dia

1 televiso de 300W ligada durante 5 horas por dia

Radiao solar no local da instalao

Radiao solar mdia diria de 5 kWh/m2/dia.

Levantamento do consumo de energia

O primeiro passo no dimensionamento do sistema o levantamento do consumo dirio de energia.

Equipamento Potncia (W) Quantidade (Unid.) Potncia Total (W) Tempo (h) Energia (Wh)

Lmpada 25 4 100 2 200

Lmpada 15 2 30 5 150

Geladeira 250 1 250 10 2500

TV 300 1 300 4 1200

Total 680 4050

A potncia total de cada equipamento obtida multiplicando a potncia individual pelo nmero de equipamentos.

A energia calculada multiplicando a potncia total de cada equipamento pelo seu respectivo tempo de uso.

Por fim, o somatrio da coluna energia fornece a energia total consumida pelos equipamentos diariamente (Econsumo), o que

equivale a 4.050 Wh/dia, ou 4,05 kWh/dia.

Dimensionamento do banco de baterias

Premissas adotadas nesse exemplo

As baterias utilizadas so de chumbo cido de 12V

com descarga mxima de 50% e capacidade de 240

Ah.

O sistema deve ter autonomia de 3 dias. Ou seja,

deve fornecer energia mesmo em perodos chuvosos

ou nublados.

Energia armazenada

Considerando que o sistema tenha 3 dias de autonomia e a

descarga mxima da bateria de 50% teremos:

EArmazenada = Naut x Econsumo / D

EArmazenada = 3 x 4050 / 0,50 = 24300 Wh

Onde:

EArmazenada = Energia armazenada

Naut = Nmero de dias de autonomia

Econsumo = Energia consumida (Wh)

D = Descarga mxima da bateria

A energia armazenada pelo banco de bateria deve ser 24,3

kWh.



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Configurao do banco de baterias

Nmero de baterias em srie

NBateria Srie = VBanco / VBateria = 24 / 12 = 2

Onde:

NBateria = Nmero de baterias em srie

VBanco = Tenso do banco de baterias (nesse caso 24V)

VBateria = Tenso da bateria (nesse caso 12V)

Devem ser usadas 4 baterias conectadas em srie.

Capacidade do banco de baterias

CBanco = EArmazenada / VBanco = 24300 / 24 = 875 Ah

O banco de bateria deve ter capacidade de 1013 Ah

Nmero de baterias em paralelo

NBateria Paralelo = CBanco / CBateria = 1013 / 240 = 4,2

Devem ser usadas 4 baterias conectadas em paralelo

Sendo assim o banco de baterias ser composto por quatro

conjuntos de baterias em paralelo, com duas baterias em

srie em cada conjunto. O banco ter ento um total de

oito baterias.



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Dimensionamento dos mdulos

Premissas adotadas

Considere que os mdulos sejam instalados nas

condies ideais. Ou seja, orientado em direo ao

Norte e com a inclinao adequada a regio.

Energia produzida por um mdulo

O primeiro passo calcular a energia produzida por um

mdulo fotovoltaico. Nesse exemplo vamos usar o mdulo

LD135R9W, suas caractersticas so:

Comprimento 1,47 m Largura 0,67 m

Potncia Mxima 135 W

Eficincia 13,7 % Corrente de curto circuito 8,41 A

A rea da superfcie do mdulo fotovoltaico pode ser

calcula multiplicando o seu comprimento pela largura.

A = 1,47 x 0,67 = 0,98 m2

A energia produzida pelo mdulo fotovoltaico pode ser

calculada pela seguinte frmula:

EFV = Esol x A x = 5000 x 0,98 x 0,137 = 671 Wh

Nmero de mdulos

NMdulo = Econsumo / EFV = 4050 / 671 = 6,04 mdulos

Nesse caso so usados 6 mdulos.



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Configurao dos mdulos

A configurao dos mdulos fotovoltaicos ser formada

por 3 strings em paralelo com 2 mdulos em srie por

string.



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Dimensionamento do controlador de carga

Premissas adotadas

A corrente de curto circuito do mdulo 8,41A.

O controlador de carga equipado com MPPT

(aumenta a produo de energia em torno de 30%).

Tenso do banco de bateria 24V

Tenso dos equipamentos da residncia 127V.

Considerando a configurao dos mdulos fotovoltaicos,

cada string tem uma corrente mxima de 8,41A, como

existem 3 strings a corrente ser de 25,2A.

I = 8,41 x 3 = 25,2 A

Aplicando o fator de segurana de 30% temos:

I = 25,2 x 1,3 = 32,8 A

Caractersticas do controlador de carga:

Corrente nominal mnima de 33A e tenso de 24V.

Dimensionamento do inversor

O inversor deve ser capaz de atender a demanda total de

potncia dos equipamentos do sistema.

De acordo com a tabela de levantamento de consumo o

somatrio da potncia dos equipamentos de 680W.

Aplicando um fator de segurana de 30% a potncia deve

ser de 884W.

Pinv = Pequip x 1,3 = 680 x 1,3 = 884 W

Onde:

Pinv = Potncia do inversor

Pequip = Potncia do somatrio dos equipamentos

Dessa forma, o inversor deve ser capaz de operar com uma

potncia mnima de 884W e tenso de 24V.



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Sistema Conectado a Rede

Dimensionamento de um sistema fotovoltaico para uma

residncia conectada a rede com consumo mdio mensal

de 300 kWh.

No est sendo considerada a opo de abater do consumo

a energia equivalente ao custo de disponibilidade do

sistema, conforme resoluo normativa 482/2012 da

ANEEL.

O sistema ser dimensionado para produzir os 300 kWh

mensais.

Radiao solar de 5 kWh/m2/dia no local da instalao.



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Dimensionamento dos mdulos

fotovoltaicos

Premissas adotadas

Potncia do mdulo 240W

rea da superfcie do mdulo 1,6 m2

Eficincia de 14,6%

Energia produzida por um mdulo

O primeiro passo calcular a energia produzida por um

mdulo fotovoltaico nas condies do local.

EFVdia = Esol x A x = 5000 x 1,6 x 0,146 = 1.168 Wh

Energia produzida pelo mdulo ao longo de um ms:

EFVms = 1.168 x 30 = 35 kWh

Nmero de mdulos

Nmero de mdulos necessrios para produzir 300

kWh/ms:

N = Econsumo / EFVms = 300 / 35 = 8,6 mdulos

Ento, para produzir 300 kWh/ms so necessrios 9

mdulos fotovoltaicos de 240W.

Configurao dos mdulos fotovoltaicos



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Dimensionamento do inversor

Para dimensionar o inversor devem ser analisados dois

pontos importantes.

Premissas

Tenso de circuito aberto dos mdulos fotovoltaicos

37V.

Tenso do inversor

O primeiro ponto verificar se a soma das tenses dos

mdulos ligados em srie est de acordo com a faixa de

tenso de entrada do inversor.

Considerando que a tenso de circuito aberto do mdulo

usado seja de 37V, a tenso dos 9 mdulos ligados em

srie ser:

Vstring = 9 x 37 = 333V

Pode ser aplicado um fator de segurana de 10% e nesse

caso a tenso mxima de sada ser:

Vstring = 333 x 1,1 = 366 V

O inversor deve possuir uma faixa de tenso de entrada

que suporte a tenso de 366V.

Potncia do inversor

O segundo ponto a ser verificado a potncia mxima

fornecida pelos mdulos.

Como cada mdulo tem potncia de 240W, os 9 mdulos

em conjunto fornecem uma potncia de 2160W.

Pinv = Nmdulo x Pmdulo = 9 x 240 = 2.160 W

Ento o inversor deve ser capaz de suportar a potncia

mxima de 2160W e a tenso de entrada de 366V.



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CONCLUSO

O dimensionamento de sistemas fotovoltaicos tem um

papel fundamental na avaliao preliminar do sistema. A

partir do dimensionamento do sistema possvel:

Identificar os principais equipamentos

Ter uma estimativa de custo

Avaliar a rea necessria para instalao dos

mdulos

Estimar a produo de energia

O que foi visto nesse guia prtico

Configuraes mais utilizadas nos sistemas fotovoltaicos.

Sistemas isolados da rede

Sistemas conectados a rede

Dados de radiao solar no local da instalao.

Mapas Solarimtricos

Site do CRESESB

Levantamento do consumo de energia da residncia ou

instalao a ser atendida.

Sistema isolado Potncia dos equipamentos e

tempo de operao

Sistema conectado Contas anteriores de consumo

de eletricidade

Principais tecnologias fotovoltaicas atualmente no

mercado

Silcio Policristalino

Silcio Monocristalino

Filmes Finos

Produo de energia

Mtodo da insolao



28

Clculo do nmero de mdulos

Demanda de energia

Energia produzida por cada mdulo

Componentes do sistema fotovoltaico

Sistema isolado

o Mdulos Fotovoltaicos

o Controlador de Carga

o Banco de Baterias

o Inversor

Sistema conectado

o Mdulos Fotovoltaicos

o Inversor para sistema conectado a rede

O mercado de energia solar fotovoltaica tem se

desenvolvido muito nos ltimos anos. Novos

produtos e tcnicas aparecem todos os dias.

Esse guia prtico estar em constante reviso

e aprimoramento.

Acesse http://www.escoladaenergia.com e

veja se voc est com a verso atualizada.

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