introducao blue solar

www.blue-sol.com

www.blue-sol.comwww.blue-sol.com 3

1. Introdução 11

1.1. Arquitetura Bioclimática 11

1.2. Energia solar Fototérmica 11

1.3. Energia Solar Fotovoltaica 12

2. Sistemas fotovoltaicos 14

2.1. Classificação dos sistemas fotovoltaicos 14

2.1.1. Sistemas Isolados 14

2.1.1.1. Sistemas Híbridos 15

2.1.1.2. Sistemas Autônomos (Puros) 15

2.1.1.3. Sistemas Autônomos Sem Armazenamento 15

2.1.2. Componentes de Um Sistema Fotovoltaico Autônomo 16

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

2.1.3.1. Benefícios ao usuário 17

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

3. Radiação Solar e Efeito Fotovoltaico 20

3.1. Geometria Solar 21

3.2. Radiação Solar ao Nível do Solo 22

3.3. Medindo o Potencial Solar 24

3.3.1. Horas de Sol Pico 25

Sumário

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

3.4. Efeito Fotovoltaico 26

3.4.1. Princípios de funcionamento 26

4. Células Fotovoltaicas 32

4.1. Tipos de Células fotovoltaicas 32

4.1.1. Silício Cristalizado 32

4.1.1.1. Silício Monocristalino 33

4.1.1.2. Silício Policristalino 33

4.1.2. Células de Película Fina 34

4.1.2.1. Silício Amorfo (a-Si) 35

4.1.2.2. Disseleneto de Cobre e Índio (CIS) 36

4.1.2.3. Telureto de Cádmio (CdTe) 37

4.1.3. Tabela de Eficiências 39

5. Módulos Fotovoltaicos 40

5.1. Características dos Módulos Fotovoltaicos 43

5.1.1. Características Físicas e Mecânicas 43

5.1.2. Características Elétricas 45

5.2. Condições de Teste e Operação 46

5.3. Associação de Módulos Fotovoltaicos 49

5.4. Sombreamento, Pontos Quentes e Diodos de Proteção 50

5.4.1. Diodos de By-Pass 51

5.4.2. Diodos de Bloqueio 54


6. Painel e Arranjo Fotovoltaico 55

6.1. Estruturas de Suporte e Ancoragem 55

6.1.1. Suportes para telhado 55

6.1.2. Suportes Para Instalação Em Plano Horizontal 57

6.1.2.1. Orientação do Painel Fotovoltaico 58

6.1.2.2. Inclinação do Painel Fotovoltaico 59

6.1.3. Suporte em Forma de Mastro 59

6.2. Cálculos de Sombreamento 60

7. Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede 64

7.1. Inversores On-Grid 64

7.1.1. Classificação e Tipos de Inversores Grid-Tie 65

7.1.1.1. Inversores Controlados/Chaveados pela Rede 65

7.1.1.2. Inversores Autorregulados (Auto Chaveados) 66

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

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

7.1.1.2.3. Inversores sem Transformadores 68

7.1.1.3. Características e Propriedades dos Inversores Grid-Tie 68

7.1.1.4. Eficiência de Conversão (Conversion Efficiency) – ηCON 69

7.1.1.5. Eficiência de Rastreamento (Tracking Efficiency) – ηTR 69

7.1.1.6. Eficiência Estática (Static Efficiency) – ηINV 69

7.1.1.7. Eficiência Européia (Euro Efficiency) – ηEURO 70


7.1.1.8. Comportamento em Sobrecarga 71

7.1.1.9. Registro de Dados Operacionais 71

7.1.1.10. Outras Características dos Inversores Grid-Tie 72

7.2. Painel Fotovoltaico Para Sistemas On-Grid 74

7.2.1. Caixas de Junção 74

7.2.2. Configurações e Conceitos 75

7.2.2.1. Sistemas com Inversor Central 75

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

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

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

7.2.2.2. Sistemas de Grupos de Módulos 77

7.2.2.3. Sistemas com Módulos CA 78

8. Sistemas Fotovoltaicos Autônomos 81

8.1. Painel Fotovoltaico 81

8.2. Banco de baterias 81

8.2.1. Funções do banco de baterias 82

8.2.2. Baterias para Sistemas Fotovoltaicos 82

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

8.2.2.2. Tipos de Baterias de Chumbo-Ácido 85

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

8.2.4. Efeitos do Envelhecimento nas Baterias 89


8.2.5. Cuidados com Baterias Estacionárias: 89

8.3. Controlador/Regulador de Cargas 90

8.3.1. Formas de Controle de Carga 92

8.3.1.1. Controladores Série 92

8.3.1.2. Controladores Shunt 92

8.3.1.3. Controladores com MPPT 92

8.3.2. Critérios de Seleção de um Controlador 93

8.4. Inversores Autônomos 93

8.4.1. Características dos inversores Autônomos 94

8.4.2. Critérios de Seleção de Inversor Autônomo 95

9. Dimensionando Sistemas Fotovoltaicos Autônomos 98

9.1. Banco de baterias 101

9.2. Painel Fotovoltaico 105

9.2.1. Influência do Controlador de Carga 105

9.2.2. Influência da Disponibilidade Solar no Local 105

9.2.3. Influência da Inclinação do Painel Fotovoltaico 107

9.2.4. Calculando o número de Módulos Fotovoltaicos 108

9.2.5. Escolha do Controlador de Carga 109

10. Bibliografia 113

Prefácio


Prefácio EstaapostilafoicriadaparadarsuporteatodososinteressadosemconheceratecnologiaportrásdaEnergiaSolarFotovoltaica.Apresentaumaintroduçãoàstecnologiasdegeraçãodeeletricidadeporfontefotovoltaica,seususoseaplicaçõesnoBrasil.

Os capítulos 1e2explicamoque sãoos sistemas fotovoltaicos, sua classificaçãoeutilização.Ocapítulo3falasobreaEnergiaSolar,opotencialbrasileiroesobreoefeitofotovoltaico.Oscapítulos4e5detalhamastecnologiasdascélulasfotovoltaicasutilizadasparaafabricaçãodosmódulos.Ocapítulo6abordaaspectosdaconcepçãodospainéisfotovoltaicos,falandosobreorientação,inclinaçãoeestudodepossíveiscausadoresdesombras.Ocapítulo7faladesistemasfotovoltaicosconectadosàredeeporfim,ocapítulo8abordaossistemasfotovoltaicosautônomos.

Esperamos que com esta apostila o leitor possa ficar completamente familiarizado com osequipamentoseconceitosempregadosnestatecnologia.Tentamosapresentaroconteúdodeformaqueelesejaútiltantoparapessoascomconhecimentostécnicosprévios,quantopara leigosemeletricidadeeengenharia.Obviamente,é inevitávelquealgunstermostécnicosapareçam,masnadatãocomplexoapontodeprejudicarocompreendimentodotodo.

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

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Autor

RonilsondiSouza([email protected])

Edição e diagramação

LuizRafaelPassari([email protected])

TodososdireitosreservadosaBlueSolEnergiaSolar

Av.AntônioDiederichsen400-Sala808

JardimAmérica/RibeirãoPreto-SP

CEP:14020-250


Introdução



1. IntroduçãoOdesenvolvimentodasociedadehumanaestáatreladoàtransformaçãodomeioambienteeobtenção

deenergia.Duranteodesenvolvimentodanossasociedadeficouevidenteacarênciadeenergiaemtodospossíveislocaisdaconvivênciahumana,enasúltimasdécadastemosvistooapelodeváriasvozesquenosmostramoiminentedofimdoscombustíveisfósseis,oimensoimpactoambientalcausadoporessasfontesdeenergiaeainsustentabilidadedomodocomoobtemosaenergiaquenosmove.

Enquantoisso,emmuitasfrentes,temosodesenvolvimentodenovasformasdegeraçãodeenergiaerecentementetivemosoreconhecimentodasfontesrenováveis,nãomaiscomofontesdeenergiaalternativa,mascomofontesdeenergiaprimárias,cujasprincipaisrepresentantessão:

• EnergiaHidrelétrica;

• Biomassa

• EnergiaEólica

• EnergiaSolar

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

AenergiasolarquechegaàTerraeumanoémuitomaiorqueoconsumohumanodeenergianomesmoperíodo.Infelizmentetodoessepotencialnãoéaproveitado.Oaproveitamentoartificialdaenergiasolarpodeserfeitodetrêsmodos:

• ArquiteturaBioclimática

• EfeitoFototérmico

• EfeitoFotovoltaico

1.1. Arquitetura Bioclimática

Aarquiteturabioclimáticaconsisteemformasdeaproveitamentodaluznaturaldosol,docalor-ouevitando-o-atravésdeformasdeintegraçãoarquitetônicaàscondiçõeslocais.

Paraaproveitarcorretamenteascondiçõesnaturais,aedificaçãodeveserplanejadacuidadosamente,o que pode significar umalto rendimento no aproveitamento da energia natural do sol, economizandooutrasformasdeenergiamaissofisticadas.Temoscomoexemplo,ossistemasqueaproveitammelhoraluznaturalduranteodia,economizandoeletricidade.

1.2. Energia Solar Térmica

O efeito fototérmico consistenacaptaçãoda IrradiaçãoSolareconversãodiretaemcalor.ÉoqueocorrecomosSistemas de Aquecimento Solar queutilizamosColetores Solarescomodispositivodecaptaçãoenergética.

Os Sistemas de Aquecimento SolarestãodifundidosnoBrasil,principalmentedevidoàsuatecnologiamaissimpleseaosbonspreços.Sãoótimoscomplementosaossistemasfotovoltaicos,poisfornecemdemaneiraeficazebarata,aenergianecessáriaaoaquecimentodaáguaparausosanitário,aquecimentodepiscinaseclimatizaçãoambiente.

boiler

caixa d’água

coletor solar

água friaágua quente


Figura 1 - Sistema de aquecimento solar

1.3. Energia Solar Fotovoltaica

Oefeitofotovoltaico,observadoporEdmondBequerelem1839,consistenoaparecimentodeumadiferençadepotencialnosextremosdeumsemicondutor,quandoesseabsorvealuzvisível.Éoobjetodeestudodestelivretoeaformadecaptaçãodeenergiasolarmaispromissora.

Sãoincontestáveisasvantagensdaenergiasolarfotovoltaica:

• Amatéria primaéinesgotável

• Nãoháemissãodepoluentesdurantea geraçãodaeletricidade

• Ossistemaspodemserinstaladosemtodooglobo

Infelizmenteaenergiasolarfotovoltaicatemsuasdeficiências:

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

• Aenergiasolardisponívelemumalocalidadevariasazonalmente,alémdeserafetadapelascondiçõesclimatológicas.

• Osequipamentosdecaptaçãoeconversãorequereminvestimentosfinanceirosiniciaismaiselevadosqueossistemasconvencionais.

O baixo fluxo de potencial solar requer grande área captadora, para obter maiores potências. AvariabilidadedaIrradiação Solarimplicanousodesistemasdearmazenamento,quesão,emgeral,poucoeficientes.Jáoaltoinvestimentoinicial,levaaconsideraraviabilidadeeconômicadeumprojeto,tendoemcontasuavidaútiletodasasvantagensdautilizaçãodessaformadeenergia.

Naspáginasseguintesconheceremosumpoucomaissobreacaptaçãodaenergiasolareconversãoemenergiaelétricaútil;osdispositivosutilizados,ealgunsdetalhesquepermitiramumbomcomeçodeestudosnessainteressanteárea.

Oestudosériodaenergiasolarfotovoltaicasedesenvolveemváriosramosdaciênciacomo:física,química,matemática,astronomia,etc.Éummundodeconhecimento,noqualpenetramosapartirdeagora.

Sistemas Fotovoltaicos



2. Sistemas fotovoltaicosUmsistemafotovoltaicoéumafontedepotênciaelétrica,naqualascélulas fotovoltaicastransformam

aRadiaçãoSolardiretamenteemenergiaelétrica.

Ossistemasfotovoltaicospodemserimplantadosemqualquerlocalidadequetenharadiaçãosolarsuficiente. Sistemas fotovoltaicos não utilizam combustíveis, não possuem partes móveis, e por seremdispositivosdeestadosólido,requeremmenormanutenção.Duranteoseufuncionamentonãoproduzemruídoacústicooueletromagnético,etampoucoemitemgasestóxicosououtrotipodepoluiçãoambiental.

Aconfiabilidadedossistemasfotovoltaicosétãoalta,quesãoutilizadosemlocais inóspitoscomo:espaço,desertos,selvas,regiõesremotas,etc.

2.1. Classificação dos sistemas fotovoltaicos

Ossistemasfotovoltaicossãoclassificadosdeacordoàformacomoéfeitaageraçãoouentregadaenergiaelétricaem:

• SistemasIsolados

• Sistemasconectadosàrede(On-Grid)


Energia Solar

Sistemas Isolados

Sem a rede

Sistemas Conectados à Rede

Injetam Energia

Conectado Direta-mente à Rede Pública

Fazendas Solares

Conectado Via Rede Doméstica

Residenciais

Autônomos

Energia Solar

Sistemas Híbridos

Co-geração

Sem Armazenamento

Bombas

PV + Aerogerador

Solar + Eólica

PV + Gerador Diesel

Menos Baterias

Appliances

Iluminação

Pequenas Aplicações

Medições

Sistemas Autônomos CA

Domésticos

Sistemas Autônomos CC

Telecom

Figura 2 - Tipos de Sistemas Fotovoltaicos

2.1.1. Sistemas Isolados

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


eletricidadedasconcessionárias.OssistemasisoladospodemserclassificadosemHíbridosouAutônomos(Puros).Ossistemasautônomospodemsercom,ousemarmazenamentoelétrico.

2.1.1.1. Sistemas Híbridos

Figura 3 - Sistema híbrido eólico fotovoltaico

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

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

2.1.1.2. Sistemas Autônomos (Puros)

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

2.1.1.3. Sistemas Autônomos Sem Armazenamento

Sãosistemasquefuncionamsomenteduranteashorasdesol.Temoscomoexemploossistemasdebombeamentodeágua.AscaracterísticasdasbombassãocalculadaslevandoemconsideraçãoanecessidadeáguaeopotencialSolardalocalidade.Opainelfotovoltaicoédimensionadoparafornecerpotencialparaabomba.Apesarde,geralmente,nãoutilizaremsistemasdearmazenamentoelétrico,oarmazenamentoenergéticoéfeitonaformadeáguanoreservatório.


Figura 4 - Sistema de bombeamento fotovoltaico

2.1.2. Componentes de Um Sistema Fotovoltaico Autônomo

Umsistemafotovoltaicoresidencialautônomo,geralmente,possuiosseguintescomponentes:

1

2

3

4

5

Figura 5-Componentes de um sistema fotovoltaico autônomo

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

fotovoltaicoautônomo.


2.1.3. Sistemas Conectados à Rede (On-Grid)

Ossistemasfotovoltaicosconectadosàredefornecemenergiaparaasredesdedistribuição.Todoopotencialgeradoérapidamenteescoadoparaarede,queagecomoumacarga,absorvendoaenergia.

Ossistemasconectadosàrede,tambémchamadosdeon-grid,geralmentenãoutilizamsistemasdearmazenamentodeenergia,eporissosãomaiseficientesqueossistemasautônomos,alémde,geralmente,seremmaisbaratos.

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

4 62

3 5

1

Figura 6 - Sistema conectado à rede

1–MódulosFotovoltaicos2–InversorGrid-Tie–Transformaacorrentecontínuadopainelemcorrentealternadade127V/220

Ve60Hz,compatívelcomaeletricidadedarede.3–InterruptordeSegurança.4–QuadrodeLuz-distribuienergiaparacasa.5–Aeletricidadealimentaosutensílioseeletrodomésticos6–Oexcedentevoltaparaaredeelétricaatravésdomedidorfazendo-orodar ao contrario,reduzindo

atarifadeenergiaelétrica.

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

Umsistemafotovoltaicoconectadoàrede,geralmente,possuiosseguintescomponentes:


1

3 2

4

5

Figura 7 - Componentes de um sistema fotovoltaico on-grid

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

conectadaàrede.

Radiação Solar e

Efeito Fotovoltaico

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3. Radiação Solar e Efeito FotovoltaicoAEnergiairradiadapelosolemumsegundoémuitomaiorqueaenergiaconsumidapelahumanidade

desdeoseuaparecimentonafacedaTerra,atéosdiasdehoje.Todaessaenergia,claro,nãochegaatéaTerra.

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

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

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

Aradiaçãosolaréradiaçãoeletromagnéticaquetemdistribuiçãoespectralconformeafiguraabaixo:


Figura 9 - Espectro da radiação eletromagnética do sol

3.1. Geometria Solar

Sabemosqueosolnascenolesteesepõenooeste,elevandonocéu.Essaelevaçãoémaioroumenordeacordoàépocadoano.

AterrasemoveemumaórbitaelípticaemtornodosoleoeixoderotaçãodaTerraformaumângulode23,5°comanormalaoplanodaelipsedaórbitadaTerra.Esseânguloéoresponsávelpeladuraçãododiaedanoitenasdistintasestaçõesdoano,etambéméoresponsávelpelavariaçãodaelevaçãodosolnohorizonteàmesmahora,aolongodoano.

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

Figura 10 - Delinação solar e as estações do ano

Aobservaçãodalatitudedalocalidadeedadeclinaçãodeterminaatrajetóriadosolnocéu,paraumdiadeterminado.

Aseguir,detalhamosas relaçõesgeométricasentrea superfície terrestreseos raios solares.Estesângulosvariamdeacordoaomovimentoaparentedosolnaabóbadaceleste:


Figura 11 - Relações geométrica sol-Terra-painel solar

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

• Ângulo Azimutal De Superfície (aw):Entreaprojeçãodanormalàsuperfíciedopainelsolareadireçãonorte-sul.Paraohemisfériosuloazimuteéonortee,portanto,odeslocamentoangularseráàpartirdestepontocardeal,sendopositivoemsentidohorário(leste)enegativonosentidoanti-horário(oeste).OânguloAzimutaldesuperfícieestaráentre:-180° ≤ aw ≤ 180°. Internacionalmente convenciona-se o azimute0° como sendoo Sul, e oNorte temânguloazimutalde180°.

• Ângulo Azimutal do Sol (as):éoânguloentreaprojeçãodosraiossolaresnoplanohorizontaleadireçãoNorte-Sul.TemasmesmasconvençõesqueoÂnguloAzimutaldeSuperfície.

• Altura Solar (α):ânguloentreosraiossolaresesuaprojeçãosobreumplanohorizontal.

• Inclinação (β):ânguloentreopainelsolareoplanohorizontal.

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

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

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

3.2. Radiação Solar ao Nível do Solo

AintensidadedaradiaçãosolarquechegaàTerraéemtornode1,3kW/m²acimadaatmosfera.AquantidadedeRadiação quechegaaochão,noplanohorizontaldependedalocalizaçãogeográfica,mastambémdascondiçõesatmosféricas,assimcomodoperíodo(estação)doano.Aatmosferaterrestreagecomoumfiltro,quebloqueiaumapartedessaenergia.Quantomaisespessaforacamadaatmosféricaaser


vencida,menorseráaIrradiância solaraoníveldosolo.Acamadaatmosféricaserámaisoumenosespessa,deacordoàelevaçãodosol,nomomentodamedição.EssaespessuraémedidaatravésdeumcoeficientechamadoMassa de Ar(AM).Amassadearinfluenciaatravésdosefeitosdeabsorçãoedispersão(RayleigheMie),porisso,quantomaiselevadoosolestivernocéu,menoresserãoosefeitosdacamadaatmosférica.Éimportantesalientarqueapoluiçãoatmosféricapotencializaessesefeitosdeabsorçãoedispersão.

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

ArelaçãoentreocoeficienteAMeaalturasolareângulozentitaléaseguinte:

Devidoaessesfatores,amáximaIrradiânciaquechegaàsuperfícieterrestreéemtornode1.000W/m².AradiaçãoquevemdiretamentedosoléchamadadeRadiaçãoDireta,eaquevemdaabóbada celeste échamadadedifusa.Alémdessasduas,temostambémaRadiaçãodeAlbedo,queaenergiasolarrefletidadaTerra,sejaporvegetação,construções,etc.A IrradiânciadeAlbedoémuitopequena.AsomadessasIrradiaçõeséchamadadeIrradiaçãoSolarTotal.


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

3.3. Medindo o Potencial Solar

Paraviabilizarosprojetoscomerciaisdesistemasdeaproveitamentodeenergiasolarsãonecessáriosestudossobrearadiaçãosolarnasuperfícieterrestre.Essesestudostêmcomobaseamediçãodaradiaçãoextraterrestre(realizadaporsatélitesmeteorológicos),juntamentecomaadoçãodemétodosdecálculosmatemáticoseamediçãodaradiaçãosolaraoníveldosolo.ParacalculararadiaçãoaoníveldosolosãoutilizadosdispositivosespecíficosnormatizadospelaOrganizaçãoMundialdeMeteorologia.Ospiranômetros,pireliômetros,heliógrafoseactinógrafossãoalgunsdessesaparelhos.

Essesestudoslevamalgunsanospararetornaremdadosconcretos,jáquetemqueconsiderarváriosfatorescomo,porexemplo,asmudançasclimáticas.

Figura 14 - Piranômetro

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

Osdoisestudossãocomplementaresemostramasvariaçõesnaradiaçãocaptadanasuperfíciedoterritóriobrasileiroaolongodeumano.


OAtlasSolarimétricoapresentaosvaloresdaradiaçãonoplanohorizontal(H)emmegajoulespormetroquadrado(MJ/m²).

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

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

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

3.3.1. Horas de Sol Pico

ARadiaçãosolarvariaduranteodiaetemsuamaiorintensidadeaomeio-dia-solar.

Àpartirdomomentoemqueosolaparecenohorizonteatéoocaso,aradiaçãosolarvaidomínimoaomáximo(aomeio-dia-solar),edevoltaaomínimo.AsnuvensinfluenciamaIrradiância Direta,fazendocomquemesmoaomeio-dia-solarpossamoscaptarmenosenergiaquenocomeçodamanhãoufinaldatarde.

SecolocarmosemumgráficoavariaçãodaIrradiânciaemumdiamédio,podemosobservarashorasdodiaemquea Irradiânciaépróximaouiguala1000W/m².


Figura 17 - Gráfico das Horas de Sol Pico

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

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

3.4. Efeito Fotovoltaico

Otermo fotovoltaico significaatransformaçãodaradiaçãosolardiretamenteemcorrenteelétrica,utilizandoascélulasfotovoltaicas,tambémchamadasdecélulassolares.

Ascélulasfotovoltaicassãoconstituídasdemateriais semicondutorescomo:silício,arseneto de gálio,telureto de cádmio ou disseleneto de cobre e índio (gálio).Osilíciocristalinoéomaisutilizado,masastecnologiasdepelículafinaganharammercadocomaproduçãoemlargaescala.

3.4.1. Princípios de funcionamento

Os semicondutores possuem abanda de valência totalmente preenchida e abanda de condução totalmentevaziaatemperaturasmuitobaixas.Aseparaçãoentreasduasbandasdeenergia,chamadade


gap de energia,éemtornode1eV.

Figura 18 - Gap de enegia nos semicondutores

NosisolantesogapédevárioseVs,variandoconformeomaterial.

Figura 19 - Comparativo do gap entre os tipos de matérias

Isso dá aos semicondutores determinadas características especiais, como o aumento da suacondutividadecomoaumentodatemperatura,devidoàexcitaçãodoselétronsdabandadevalênciaparaabandadecondução.Outracaracterísticaimportante,éapossibilidadedefótons,nafaixadovisívelecomenergiasuficiente,excitaremoselétrons.Esseefeitoqueacontecenossemicondutorespuros,chamadosdeintrínsecos(i),porsisónãopermiteofuncionamentodomaterialcomcélulafotovoltaica,poisamaioriadoselétronsvoltaasereconbinar.

Serádescritoaseguirofuncionamentoeapreparaçãodeumacélulafotovoltaicadesilício.

Cadaátomodesilíciotemquatroelétronsdevalência,eparaatingirumaconfiguraçãoestávelseligamaquatroátomosvizinhos,formandoumaredecristalina.Nessecaso,nãoháelétronslivres.


Figura 20 - Cristal de Silício Intrínseco (i)

Parapotencializaroefeito fotovoltaicoocristaldesilícioédopado comsubstânciasquealteramasuaredecristalina.SeaosilícioformisturadoátomosdeArsêniooudeFósforoquepossuem5elétronsdevalência,umdesseselétronsficarálivre,permitindoquecompoucaenergiatérmicaesseelétronsalte para abandadecondução.Essetipodeimpurezaéchamadodedoadoradeelétrons,oudopante n.

Figura 21 - Silício dopado com fósforo

SedoparmososilíciocommateriaiscomooAlumínioouBoro,quepossuem3elétronsdevalência,faltaráumelétronparacriaruma ligaçãocovalente.Esseburaco secomportacomoumacarga positiva,jáquecompoucaenergiatérmicaumelétronvizinhovemocuparesseburaco,deixandoumburacoondeestavafazendocomquehajaumamovimentação do buraco.Essetipodeimpurezaéchamadodedopante p.


Figura 22 - Silício dopado com boro

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

Figura 23 - Difusão de elétrons na junção P-N

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

Algunsdoselétronsliberadossãorecombinados,senãoforemcapturados.Alémdisso,nemtodooespectrodaradiaçãoéaproveitado.


Figura 24 - Aproveitamento da radiação solar pelas células fotovoltaicas

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

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

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

= 13,0% Energia elétrica utilizável.

Células Fotovoltaicas



4. Células FotovoltaicasUmacélulafotovoltaicaéaunidadebásicadeumsistemafotovoltaico.Éaresponsávelpelaconversão

daradiaçãosolaremeletricidade.

Comoumaúnicacélulanãoésuficienteparagerarpotênciaselétricaselevadas,osfabricantesassociamváriascélulas,easencapsulamparaproteção,formandoassimummódulofotovoltaico.

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

4.1. Tipos de Células fotovoltaicas

Figura 25 - Representação de uma célula fotovoltaica de silício cristalizado

Aseguir,osprincipaistiposdecélulasfotovoltaicasproduzidasemescalacomercialesuasprincipaiscaracterísticas.

4.1.1. Silício Cristalizado

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

Paraautilizaçãodosilíciocomomatériaprimaparaafabricaçãodascélulasfotovoltaicas,essedeveserpurificado.

Sãodois,osgrausdepurificaçãodosilício:

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


serãoobtidasbarrasdesilíciocompurezade98%.

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

Apósessapurificação,teremoscriadoumcristaldesilíciocomaté99,9999%depureza,queéumdosmateriaismaispurosproduzidospelohomem.Éjustamenteesseprocessodepurificaçãoqueencareceacriaçãodascélulasfotovoltaicas.

4.1.1.1. Silício Monocristalino

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

Apósocortedocristalempastilhas,édepositadoofósforo,atravésdedifusãodevaporatemperaturasentre800-1200°C,ecriadaarededecontatosfrontaisetraseirasquerecolherãooselétronsliberadospeloefeitofotovoltaico.Tambéméfeitoumtratamentoantirreflexonaparteposterior.

Eficiência:15–18%(Czochralski)

Forma:Geralmentearredondadas,ouemformatodefatia de pizza.

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

Espessura:0,3mm.

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

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

Factory,KwazarJSC,Maharishi,MatsushitaSeiko,Microsolpower,NingboSolar

EnergyPower,PentafourSolecTechnology,Photowatt,RWESchottSolar,Sharp,

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

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

Figura 26 - Células de silício monocristalino

4.1.1.2. Silício Policristalino

Umdosprocessosdecriaçãodesilíciopolicristalinomaisutilizadoéodefundição de lingotes,onde


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

Eficiência: 13–15%(comantirreflexo)

Forma:geralmentequadrada.

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

Espessura:0,3mm.

Estrutura:duranteoresfriamento,formam-sevárioscristaisdesilíciocomorientaçõesdiversas.Essaformaçãomulticristalinaéfacilmentereconhecida.

Cor:azul(comantirreflexo),cinzaprateado(semantirreflexo).

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

Figura 27 - Celulas de silício policristalino

4.1.2. Células de Película Fina

Odesenvolvimentodascélulasfotovoltaicasdepelículafinavemdesdeadécadade90.Omaterialsemicondutor é aplicado em um substrato, geralmente vidro, através de deposição por vaporização,deposição catódica oubanhoeletrolítico.Os semicondutoresmais utilizados sãoo silício amorfo (a-Si),o disseleneto de cobre e índio (gálio) (CIS-CIGS)eotelureto de cádmio (CdTe).Devidoàaltaabsorçãoluminosa,camadasdemenorespessura(0,001 mm)são,emteoria,suficientesparaconverteraluzsolaremeletricidade.Alémdisso,essesmateriaissãomaisfacilmentedopadoserequeremmenorestemperaturas(entre200°C e 500°C)parasuafabricação,oque,combinadocomacapacidadedeautomaçãoparaproduçãoemlargaescala,podebaratearopreçofinaldosmódulos.

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


4.1.2.1. Silício Amorfo (a-Si)

Figura 28 - Representação de uma célula de silício amorfo

Osilícioamorfo (sem forma)nãopossuiumaestruturacristalina,mas simuma rede irregular.Porissoseformamligaçõeslivresqueabsorvemhidrogênioatéasaturação.Essesilícioamorfohidrogenado(a-Si:H) é criandoem reatoresplasmáticos, atravésde vaporizaçãoquímicade silanogasoso (SiH4), querequertemperaturasrelativamentebaixas,emtornode200°C a 250°C.

Agrandedesvantagemdascélulasdea-Siéasuabaixaeficiência,quediminuinosprimeiros6a12mesesdefuncionamento,devidaàdegradaçãoprovocadapelaluz,pelochamadoEfeito Staebler-Wronski,atéatingirumvalorestável.

Eficiência:entre5%a9%deeficiênciadomódulo.

Forma:formatolivre.

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

Espessura:1-3mmparaosubstrato(plástico,vidro,etc.),comumrevestimentodesilícioamorfodeaproximadamente0,001mm.

Cor:castanhoavermelhadoaazulescuro.

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


Figura 29 - Módulo de silíco amorfo

4.1.2.2. Disseleneto de Cobre e Índio (CIS)

Figura 30 - Representação de uma célula CIS

ParasefabricarascélulasCISosubstratoérevestidocomumafinacamadademolibdênioatravésdedeposiçãocatódica,eacamadaCISdotipoPpodeserfabricadaatravésdavaporizaçãosimultâneadocobre,índioeselênio,numacâmaradevácuoa500°C,ouatravésdadeposiçãocamadaacamadadosmateriais.Oóxidodezincocontaminadocomalumínio(ZnO:Al)éutilizadocomocontatofrontaltransparente.EssematerialédotipoN eédepositadaumacamadaintermediáriadeóxidodezincointrínseco(i-ZnO).Umacamada de sulfato de cádmio (CdS) do tipoN é utilizada para reduzir as perdas causadas combinaçãoinadequadadasredescristalinasdascamadadeCISeZnO.

Diferentementedosilícioamorfo,célulasCISnãosãosusceptíveisàdegradaçãocausadapelaluz,masapresentamproblemasdeestabilidadeemambientesquentesehúmidos.Porisso,osmódulosfabricadoscomessetipodecélulatemqueterboaselagem.

OsmódulosCISsãoosmaiseficientes,dentreosmostradosaqui,eéprovávelqueaproduçãoemmassatorneosseuspreçosmaisatrativosqueosdesilícioamorfo.Infelizmenteasreservasdeíndioestãocadavezmaisreservadasàproduçãodastelastouch-screendossmartphonesetablets,comprometendoo


usodessematerialparaaindústriafotovoltaica.

Eficiência:7,5%a9,5%deeficiênciadomódulo.

Forma: formatolivre.

Tamanho: geralmenteentre1,2x0,6m².

Espessura:3mmparaosubstratocomrevestimentode0,003mm.

Cor:preto.

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

Figura 31 - Células CIS

4.1.2.3. Telureto de Cádmio (CdTe)

AscélulasdeCdTesãofabricadassobreumsubstratodevidro,comumacamadadeóxidodeestanhoíndio(OTI)comocontatofrontal,queérevestidocomumacamadatransparentedesulfatodecádmio(CdS)dotipoN, edepoiscomacamadadeteluretodecádmio(CdTe)dotipoP.Podemserfabricadosporsilk screen,deposiçãogalvânicaoupirólise pulverizada.

Figura 32 - Representação de uma célula CdTe

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

Eficiência: 6–9%deeficiênciadosmódulos.


Forma: formatolivre.

Espessura: 3mmparaosubstratocom0,008mmderevestimento.

Tamanho: geralmente1,2x0,6m².

Cor:verde-escuroapreto

Fabricantes: Antec,FirstSolar,Matsushita.

Figura 33 - Módulo de CdTe

4.1.3. Tabela de Eficiências

Tabela 2 - Eficiência dos diferentes tipos de células fotovoltaicas

Material EficiênciaemLaboratório

Eficiênciaemprodução

Eficiênciaemproduçãoemsérie

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


Módulos Fotovoltaico


5. Módulos FotovoltaicosUmacélula fotovoltaicadesilíciocristalizadoproduzumatensãodeaproximadamente0,46a0,56

voltseumacorrenteaproximadamente30mA/cm².Ascélulascomerciaisgeramemtornode1 A,2,5 A,3 A,5 Ae7 A.

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

Figura 34 - Conexão de células fotovoltaicas em série

Oprocessodemontagemdomódulofotovoltaicopodeserfeitodemaneiraautomática,atravésdemaquinárioespecializado,oupormanufatura,ondeoprocessodeproduçãonãopermiteumaaltaproduçãoemescala.

Figura 35 - Máquina para conexão automática de células

Apósaconexão,ascélulasserãoencapsuladasnaseguinteordem:

• Umalâminadevidrotemperado;

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

• Ascélulasconectadas;


• MaisumalâminadeEVA(ousimilar)

• Umacobertura,quepodeservidro,tedlar,PVC,ououtrospolímeros

Figura 36 - Máquina de corte dos materiais de encapsulamento

Oconjuntoserálevadoaumamáquinalaminadora,quefinalizaalaminagem,dandoestanqueidadeaoconjunto.

Figura 37 - Laminadora de módulos fotovoltaicos

Porfimoconjuntoseráemoldurado(utilizandogeralmentealumínioanodizado),serãoinseridasascaixasdeconexão(ecabos/conectores)eomóduloserálevadoaumSimulador Solar.


Figura 38 - Máquina de molduragem de módulos fotovoltaicos

Alémdosimuladorsolar,osmódulospassamportestesmecânicoscomo:

• Variaçãodetemperaturaentre-40°Caté+85°C;

• Testesdeisolamentosobhumidadeecongelamento;

• Cargamecânica,resistênciaagranizoetorções;

• Resistênciadeterminais,etc.

Figura 39 - Simulador Solar

Ostestesmecânicosdeterminamacapacidadedosmódulosresistiremàsintempéries,ostestesdeisolamentosãoparaoselementoscondutoresemoldura.Ostestesdetorçãodetectamdefeitosquepossamapareceremcasodemontagemdemódulosemestruturainadequada.


Figura 40 - Módulos fotovoltaicos comerciais

5.1. Características dos Módulos Fotovoltaicos

Cada tipo de módulo, de acordo com a tecnologia utilizada na célula, tem suas característicasparticulares.Apresentaremosaqui,ascaracterísticasdosmódulosdesilíciocristalizado,poissãoosmaisutilizadosatualmente.

Osmódulossãoclassificadosnomercadodeacordoàsuapotência-pico(Wp),eaotipodecélula.Masparaumtécnicoouprojetista,existemoutrascaracterísticasaseremconsideradas.

5.1.1. Características Físicas e Mecânicas

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

Figura 41 - Corte transversal de um módulo fotovoltaico

Ascaixasdeconexãopossuemoisolamentonecessárioparaaconexãodoscaboseaoutrosmódulos.Alémdisso,osmódulostêmumpontodeaterramento,paraoscasosemqueasconexõesentremóduloscheguematensõesmaiores.


Figura 42 - Caixas de conexões de módulos fotovoltaicos

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

Figura 43 - Conectores MC3 e MC4

OutromodelodeconectorparasistemasfotovoltaicosédesenvolvidopelaempresaTycoEletronics.

Figura 44 - Conectores Tyco

Osmodelosnãosãocompatíveisentresi,ealgunsfabricantesusamdiferentesmodelosdeconectorem seus diferentesmodelos demódulo. A falta de compatibilidade entre os conectores serve como oindicativodarecomendaçãodenãoseagruparmódulosdecaracterísticasdistintas.

Tenhabastanteatençãoquantoaoconectorutilizadopelofabricante,nafasedeprojetodosistemaPV,poisaremoçãoe/outrocadoconector,emmuitoscasos,invalidaagarantiacontradefeitosdefabricaçãodomódulo.Épossívelcontornaraincompatibilidadeentreosconectoresdosmóduloseosconectoresdos


dispositivosdecondicionamentodepotência(comoosinversores)atravésdascaixasdejunçãodefileiraepainéis(vistoabaixo).

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

5.1.2. Características Elétricas

Tensão Nominal:éatensãopadrãoparaaqualomódulofoidesenvolvidoparatrabalhar.Aquantidadecélulasfotovoltaicasdeterminaesseparâmetro,segundoatabelaabaixo:

Tabela 3 - Tensões nominais e Voc de módulos Standard

Número de Células Tensão Nominal Tensão em CircuitoAberto (Voc)

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

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

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

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

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

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

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


Figura 45 - Curva I V de um módulo fotovoltaico comercial

Eficiência: éoquocienteentreapotênciageradaeairradiânciaincidentesobreomódulo.

Fator de Forma (Preenchimento): éumconceito teóricoquemedeaformadacurvadefinidapelasvariáveisIeVnaseguinteequação:

Figura 46 - Fator de forma de um módulo comercial

5.2. Condições de Teste e Operação

Para os teste de performance e rotulagem dos módulos fotovoltaicos, é utilizado um padrão deirradiância,massadearetemperatura.Essepadrão,chamadodeCondições Padrão de Teste (STC – Standard Test Conditions)éconseguidoemlaboratórioatravésdosimuladorsolar.Emsituaçõespráticas,nãotemosasmesmascondiçõesparaotrabalhodosmódulosfotovoltaicos.Vejaabaixoosvalorescomparativosemtrêscondições:


Tabela 4 - Condições de teste e operação dos módulos fotovoltaicos

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

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

AgrandeimportânciadissoestánofatodeapotênciamáximadeummódulocomercialserdiferentedanominalquandoesteestárecebendoIrradiânciasmenores,ouquandosuascélulasestãosubmetidasatemperaturasdiferentesde25°C.AbaixoavariaçãodetensãoemcircuitoabertoecorrentedecurtocircuitodeacordoàIrradiância.

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

Segundoográficoacima,podemosverqueatensãovariamenosqueacorrente.Istoporqueumfóton(comenergiasuficiente)energizaumelétron.Commaiorirradiância,maioraquantidadedefótons,emaioracorrenteelétricagerada.

Asvariaçõesde temperatura também influenciamodesempenhodas células fotovoltaicas.Comoaumentodatemperatura,atensãodecircuitoabertocaieacorrentedecurtocircuitoaumenta.


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

Aquedadetensãoémaiorqueoincrementodecorrente,portantooaumentodatemperaturareduzsignificativamenteapotênciadosmódulos.

Atemperaturadascélulasfotovoltaicasnãoéamesmadoambiente,poisascélulassofremumaumentodetemperaturaaoreceberaradiaçãosolar,porcontadoefeitofotovoltaico.Adiferençadetemperaturavariadeacordoàscaracterísticasconstrutivasdacélula(a-Si,p-Si,m-Si,etc.)edomódulo.Podemosestimaressadiferençadetemperaturaatravésdaseguinteequação:

Onde:

G:éairradiânciaemw/m²

Nasfolhasdedadosdosfabricantesencontramososcoeficientesdetemperatura,poisessedadoédeextremaimportância,principalmenteparaocálculodesistemasconectadosàrede,poisesses,geralmente,utilizamgrandesquantidadesdemódulosassociadosemsérie,eastensõessãoaltas.Comavariaçãodatemperaturaadiferençadetensãopodenãosersuficienteparaotrabalhodeuminversoron-gridduranteosdiasquentesdeverão,maspodealcançarvalorescapazesdedanificaruminversorsubdimensionadoemumdiafriodeinverno.

Figura 49 - Coeficientes de temperatura de um módulo comercial

Emgeraltemososseguintesvaloresmédios,casoofabricantenãoforneçaosdados,paracada1°Cacimade25°C:


Tabela 5 - Coeficientes de temperatura de módulos fotovoltaicos

Coeficiente Silício Cristalizado Película Fina

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

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

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

5.3. Associação de Módulos Fotovoltaicos

Dificilmente um únicomódulo fotovoltaico será suficiente para constituir opainel fotovoltaico deum sistema fotovoltaico.Umpainel fotovoltaico éum conjuntodemódulos fotovoltaicos eletricamenteligadosentresi,que fornecemdeterminadopotencial,egeralmenteestarão ligadosaumdispositivodecondicionamentodepotênciae/oucontrole.

Naassociaçãoemsérie,chamadadefileira,osmódulosterãosuastensõessomadas,eatensãodopainelseráasomadastensõesindividuaisdecadamódulo.Acorrenteseráamédiadascorrentesdecadamódulo,porissonãoéaconselhávelaassociaçãodemódulosdecapacidadesdistintas.

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

Naassociaçãoemparaleloteremosoaumentodiretodacorrentequeserá,nopainel,asomadascorrentesindividuaisdecadamódulo.Atensãoseráamédiadastensõesgeradas.

Figura 51 - Comportamento de uma associação de módulos em paralelo

Namaioriadoscasos,seránecessárioassociarosmódulosemsérie,paraalcançaratensãonominaldosistema,etambémemparalelo,paraalcançarapotência-picocalculadanoprojeto.Nessescasos,temosascaracterísticasdasduasassociaçõesanteriores,emaioresperdasaoutilizarmódulosdecaracterísticasdiferentes.


Figura 52 - Associação mista de módulos fotovoltaicos

5.4. Sombreamento, Pontos Quentes e Diodos de Proteção

Sobdeterminadas condiçõesdeoperação, uma célula fotovoltaica, ao receberuma sombra, podeaquecertanto,queomaterialsemicondutorpodeserdanificadopelocalor.Aparecemoschamadospontos-quentes(hot-spots),quedanificamomódulopermanentemente.Issoacontecequando,aoinvésdegerar,omódulorecebecorrente.

Figura 53 - Ponto-quente em uma célula fotovoltaica

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


Figura 54 - Funcionamento normal de um conjunto de células fotovoltaicas

Seumafolhacaisobreomódulo,deformaacobrirumacélula,estaestaráinversamente polarizada epassaráaagircomoumacarga,convertendoeletricidadeemcalor.Seacorrentequeatravessaacélulaforaltaosuficiente,teremosaformaçãodohot-spot.Amaiorcorrentequeumacélula,nessascondiçõespodereceber,éacorrentedecurtocircuito,oqueacontecefrequentementeemsistemasfotovoltaicoscomcontroladores shunt(vistosabaixo).

Figura 55 - Célula sombreada convertendo eletricidade em calor

5.4.1. Diodos de By-Pass

Umconjuntode18a20célulasemsériepodegerarumatensãoemtornode12V,eatensãodebloqueiodeumacélulafotovoltaicaestáentre12Ve50V.Comumaassociaçãodequatromódulosemsérieteremosafaixadetensãoondeépossívelqueacorrenteinversaatravesseascélulassombreadas.Paraevitaraformaçãodoshot-spots,acorrentedeveserdesviadadascélulas,atravésdeumdiodo de derivação –tambémchamadodediodo de by-pass–conectadodemaneirainversamentepolarizadaemrelaçãoaumconjuntodecélulas.Osdiodossãoconectadosagruposde18ou20células,demaneiraqueummódulode36célulastem2diodoseummódulode72célulastem4diodos.


Figura 58 - Fileiras de módulos com diodos de bloqueio

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

Figura 59 - Diodos de bloqueio e fusíveis de proteção na caixa de conexão dos módulos


Figura 56 - Diodos de derivação desviando a corrente reversa

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

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

5.4.2. Diodos de Bloqueio

Osdiodosdebloqueiosãoutilizadosnasfileirasdemódulosemsérie,paraevitarqueummódulosombreadotransformeafileira inteiraemumacarga.Emalgunssistemasautorregulados,osdiodossãoutilizadosparaevitarqueabateriasedescarreguesobreopainelfotovoltaico.Nossistemasqueutilizamcontroladoresnãoénecessário,sendoatédesencorajadooseuuso,poisodiodoprovocaumaquedadetensão,queemsistemasmenorespodesersignificativa.

DeacordocomanormaIEC 6036-7-712,osdiodosdebloqueionãosãonecessáriosseforemutilizadosmódulosdomesmotipo,comproteçãoClasseIIecertificadosparafuncionarcom50%dacorrentenominaldecurto-circuito,quandopolarizadosinversamente.


Painel e Arranjo Fotovoltaico


6. Painel e Arranjo FotovoltaicoDefine-sepainel fotovoltaicocomosendoumconjuntodemódulos fotovoltaicos.Umconjuntode

painéis fotovoltaicoséumArranjo Fotovoltaico.

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

Veremosagoraoscuidadoseformasdeinstalaçãodeumpainelfotovoltaico,quepodemserutilizadastantoparasistemasisolados,quantosistemason-grid,poisosconceitossãoosmesmos.

6.1. Estruturas de Suporte e Ancoragem

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

Para cada caso, há uma solução. No caso de telhados, deve ser verificado o tipo de telha ou demadeiramento–aestruturaquesuportaotelhado.Nasinstalaçõesemplanohorizontaldeveserverificadaaalturamínimaetambémascargas de ventoqueadicionamumesforçomecânicoaossuporteseancoragens.

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

Figura 60 - Painel fotovoltaico montado em telhado

6.1.1. Suportes para telhado

Parafixarosmódulosemtelhados,énecessárioinstalarumperfildesuportequepodeserafixadonastelhas(nocasodetelhasmetálicas)ounosuportedotelhado(nocasodetelhasdecerâmica/argilaouconcreto_.


Figura 61 - Presilha para telhas de argila

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

Figura 62 - Presilha para telhas de metal

Aspresilhassãodispostasparareceberoperfil de suportequeserádimensionadoeposicionadodeacordoaosmódulosquecomporãoopainelfotovoltaico.Porissoumaetapaimportanteduranteoestudodecasoepropostadeprojetoéafasedemediçãodosespaçosdisponíveis.

Figura 63 - Módulos montado sobre o perfil de suporte

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


suamolduraestejadentrodospadrões(comespessuraentre3e4,5cm).

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

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

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

6.1.2. Suportes Para Instalação Em Plano Horizontal

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


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

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

Parapainéismontadosemcobertura,aalturamínimarecomendáveléde5cm.Istoéparapermitiroescoamentodaáguadachuva,eaquebradaforçadoventoemduascomponentes,oquediminuiacargadeventosobreopainel.

Figura 67 - Suporte para instalação em plano horizontal

6.1.2.1. Orientação do Painel Fotovoltaico

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


duranteoscálculosdoprojeto.

Emtodocasodevemserevitadososângulosmaioresque30°,tantoparaLeste,quantoparaOeste.Paracada15°dedesviodoNortegeográfico,teremosumahoradediferençaparaacaptaçãomáxima.ParaLeste,haveráumadiantamento,eparaOestehaveráatraso.Oadiantamentoemdeterminadaslocalidadespodeserbenéfico,comoemlocaistropicais,ondechovenomeiooufimdatarde,prejudicandoageração.Alémdisso,amaiorirradiânciaqueaconteceaomeiodiasolarnãoseráaproveitadaemsuatotalidade.

Tambémnãoérecomendáveldistribuirosmódulosnasduaságuasdeumtelhadonãoorientadoparaonorte,poisteríamospoucomaisdametadedageraçãoduranteamanhã,eomesmovalorduranteatarde.

6.1.2.2. Inclinação do Painel Fotovoltaico

AinclinaçãoidealdospainéisfotovoltaicosvariadeacordoàLatitudedalocalidade,etambémquantoaotipodesistemafotovoltaico.Parasistemasisoladosumpainelcommaiorinclinaçãoérecomendável,poisgarantemaiorcaptaçãonosperíodosdemenorirradiância,próximoaosolstíciodeinverno.Paraossistemasconectadosàrede,inclinaçõesmenorespropiciammaiorcaptaçãonosperíodospróximosaosolstíciodeverão,oquegeramaisenergiae,nospaísescomtarifasdiferenciadas,maioresganhosfinanceiros.

Épossívelcalcularamelhorinclinação,paraumsistemaisolado,utilizandoaseguinteequação:

β = φ + (φ/4)

Onde:

Β=inclinaçãodopainelemrelaçãoaoplanohorizontal.

Φ=Latitudedalocalidade

Estaequaçãoretornaumvaloraproximado,eainclinaçãorealpodeserarredondadaematé5°semperdadedesempenho.

Paraossistemasconectadosàrede,podemosutilizaraseguinteequação:

β = 3,7+0,69φ

Emlatitudesacimadeentre15°e30°podemosaproximaroscálculosem:

• Latitude+5°,parasistemasautônomos.

• Latitude–5°,parasistemason-grid.

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

6.1.3. Suporte em Forma de Mastro

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


Figura 68 - Painel fotovoltaico com sistema de rastreio solar

Nocasodepequenossistemasdentrodazonatropical,mesmososresidenciais,ousodeumsuporteemmastropermiteamudançamanualdainclinaçãoeorientação,pelotécnicoresponsávelpelamanutenção.

Figura 69 - Painel fotovoltaico em mastro

6.2. Cálculos de Sombreamento

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

Nocasodasinstalaçõesmenores,assombrasaseremevitadassãodasárvoreseedificaçõesaoredor.Parasecalcularaprojeçãodassombrasduranteodia,énecessárioconheceraposiçãodosolemcadamomento,nasdiferentesestaçõesdoano.


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

Parafazercálculosdesombreamentomaissofisticados,érecomendávelousodesoftwaresespecíficos,queatravésdeumaimagemdigital,devidamenteorientada,descrevematrajetóriadosoleasprojeçõesdesombras.

Paracalcularumasombrasimples,podemosrecorreraequaçõessimplificadasquedãobonsresultados,podendoseradicionadasaplanilhasautomáticasdedimensionamento,facilitandooseuuso.Essasequaçõesnãosãorecomendadasparasistemascomplexos,emlocalidadesurbanascomgrandequantidadedealtosedifícioscircunvizinhosaolocaldeinstalaçãodopainelfotovoltaico.

Figura 71 - Relações geométricas entre possíveis geradores de sombra

Nocasodesombrascausadasporobjetosfrontais,podemoscalcularasombranosolstíciodeinverno,quandoaprojeçãoémaior.Seconseguirmosevitaressasombra,nesseperíodo,evitaremosassombrasoanotodo.NasLatitudesabaixode20°háoriscodeobjetosanterioresprojetaremsombras,jáqueemtaislocalidadesosoldeclinaasulemalgunsperíodosdoano.EmlocalidadescomLatitudeentre0°e15°asituaçãoémaiscritica,poisosoldeclinaasulemmetadedoano.Portantooentornodopainelfotovoltaicodeveservistoriadoaprocuradepossíveiscausadoresdesombra.

Aseguinteequaçãopermiteocálculodaprojeçãodesombrasfrontais:

d = z/tan h0

Onde:

d=distânciaentreopaineleumobstáculofrontal;

z =alturadoobstáculo;


h0=alturasolar,nosolstíciodeinverno,aomeiodiasolar;

Ofatorh0podesercalculadomedianteaseguinteequação:

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

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

Nocasodeinstalaçõesquedispõemdegrandequantidadedepainéis,comoamostradanafigura62,utilizamosaseguinteequação:

d = l * (sin ß /tang h0 + cos ß)

Onde:

l =alturadopainelemmetros;

ß=inclinaçãodopainelemgraus;

Figura 73 - Cálculo da distância entre paineis

d2 = Z * cos ß

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

ß



Conectados a Rede


7. Sistemas Fotovoltaicos Conectados à RedeComo,nossistemason-grid,aenergiaelétricageradaéentreguediretamenteàrede,osdispositivos

decondicionamentodepotênciadevemseadequaraomodocomoaeletricidadeestáfluindonaslinhasdedistribuição,copiandoessepadrãoefornecendoomesmotipodesinalelétrico.

Paraaconexãoàrede,utilizamosdispositivoseconfiguraçõesespecíficasparatal.Veremosagoraoscomponenteseconfiguraçõescomumenteutilizadosemsistemasfotovoltaicosconectadosàrede.

7.1. Inversores On-Grid

Odispositivoresponsávelpelainjeçãodeenergianaredeéoinversor grid-tie.Devidoaoseualtograudesofisticação,osinversoresgrid-tienãosãocomparáveisaosinversoresautônomos.EstesNÃOPODEMserligadosdiretamenteàsredesdedistribuição,poisnãopossuemomesmocontrolesobreatensão,faseefrequênciaqueosinversoresgrid-tie possuem.

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

Osinversoresgrid-tiesãoconectadosàdeduasformas:

• Diretamenteàrede–ondeaenergiaérapidamenteescoadaparaosistemaeutilizadapelosconsumidoresmaispróximos.

• Atravésdopontodeconexãodaedificaçãocomaconcessionária–ondeaenergiaelétricageradaéconsumidapelaprópriaedificação/residência,esomenteoexcedenteéfornecidoàrede.

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


Figura 75 - Inversores Grid-Tie

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

Sãofunçõesdoinversorgrid-tie:

1. Converteracorrentecontínua,geradapeloarranjofotovoltaico,emcorrentealternada,deacordocomfuncionamentodaredededistribuição;

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

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

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

Fabricantesdeinversoresgrid-tie:

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

7.1.1. Classificação e Tipos de Inversores Grid-Tie

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

7.1.1.1. Inversores Controlados/Chaveados pela Rede

Aconstituiçãobásicadeuminversor controlado/chaveado pela rede éumadeumapontedetiristores.Ousodeinversorestiristorizadosemsistemasdeautomação(ex:controladoresdemotores),levouaousodetiristoresnosprimeirosinversoresparausofotovoltaico.Estetipodeinversoraindaéutilizadoemsistemasdegrandepotência.Paraossistemasmenores,compotênciasaté5kWp,existempoucosfabricantesqueaindautilizamessatecnologia.


Figura 76 - Inversor chaveado pela rede com ponte de tiristores

O inversor controlado pela redeutilizaafrequênciaetensãodaredeparachavearostiristores,porissooseunome.Sehouverumaquedanarede,oinversordesliga-seautomaticamente,oquefazcomqueessetipodeinversornãopossafuncionardemodoautônomo.Duranteoseufuncionamentosãogeradospulsosdecorrentedeondaquadrada,porissoestetipodeinversortambéméchamadodeinversor de onda quadrada.

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

As diferenças da forma de onda senoidal da rede elétrica provocam o aparecimento de grandesdistorçõesharmônicasealtoconsumodepotênciareativa.Devidoa issosãoutilizadosfiltrosdesaídaedispositivosparalimitarosharmônicos.Paraisolararede,éutilizadoumtransformadorprincipal(de50 Hz,parasistemaseuropeus).Nosinversoresmaisrecentes,ospulsossãoemitidosporummicroprocessador.Retardandooimpulso(controleporângulodefase)épossívelimplementarumsistemadeMPPT.

7.1.1.2. Inversores Autorregulados (Auto Chaveados)

Nos inversores autorregulados sãoutilizadosdispositivossemicondutoresquepodemser ligados e desligados,emumcircuitoemponte.Deacordoaoníveldetensãoedesempenhodosistema,podemserutilizadososseguintescomponentes:

• MOSFET(Transistoresdeefeitodecampodesemicondutordeóxidometálico);

• Transístoresbipolares;

• GTO(TiristordeDesligamentoPelaPorta–até1kHz);

• IGBT(Transistorbipolardeportaisolada);


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

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

Atravésdochaveamentorápidodoestadodoscomponentesemfrequênciasemtornode10-100 kHz,sãoformadospulsos,comduraçãoeespaçamentosemelhantesaosdeumaondasenoidal.Apósousodeum filtro passa-baixa,teremosumsinalelétricocompatívelcomarede.

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

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

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

Nos inversores auto-chaveados e nos inversores chaveados pela rede, podem ser utilizadostransformadoresdebaixafrequência(LF)–50 Hz nopadrãoeuropeu�paraajustaratensãodesaídacomatensãodarede.OcampomagnéticodotransformadorisolaeletricamenteocircuitoCCdocircuitoCA.

Figura 79 - Diagrama de um Inversor com transformador

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


Asdesvantagenssãoaumentodaperdadepotênciaedotamanhoepesodoinversor,fazendocomquealgunsfabricantesutilizassemtransformadoresmenoresouoseliminassemporcompleto.

7.1.1.2.2. Inversores com Tranformadores de Alta Frequencia (HF)

Utilizando transformadores em alta frequência – 10-50 kHz, conseguem-se menores tamanhos,menoresperdas,menorpesoemenorcusto.Entretanto,ocircuitodestetipodeinversorémaiscomplexo,fazendocomqueadiferençadepreçonãosejatãosignificativa.

7.1.1.2.3. Inversores sem Transformadores

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

Comonãopossuemisolamentoelétrico,necessitamdeseverasmedidasdesegurançanasuainstalação,exigindoa instalaçãodedispositivosdeproteção contra corrente residual, tantodo ladoCC,quantonoladoCA.Deve-seobservarque,duranteofuncionamentodossistemasfotovoltaicoscominversoressemtransformador,formam-secorrentesresiduaiscapacitivasdemaisde30 mAentreosmóduloseaterra,oqueinviabilizaousodeInterruptoresDiferenciaisResiduais(IDR)comuns,quedesconectamem30 mA.

Tabela 6 - Comparação entre os tipos de inversores

Com Transformador Sem TransformadorCaracterísticas •Tensões de entrada e saída eletricamente

isoladas•Muitodifundido•AmaioriadosInversoresCentrais

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

•Amaioriadosinversoresdefileira

Vantagens •Podetrabalharcomtensõesreduzidasnaentrada(V<120V)

•Menoresinterferênciaseletromagnéticas•NãonecessitadeligaçãoequipotencialaopontodeaterramentodoarranjoPV

•Maior eficiência (se não temconversorCC/CC)

•Menorpeso•Menorvolume•Instalação CC menor, (para osinversoresdefileirasedemódulos CA)

Desvantagens •Perdasnotransformador•Maiorpeso•Maiorvolume

•Uso de dispositivos de proteçãoadicionais

•Flutuação do ponto defuncionamento

•InstalaçãocompletacomProteçãoClasseII

•Maiores interferênciaseletromagnéticas

7.1.1.3. Características e Propriedades dos Inversores Grid-Tie

Aseguirveremosasprincipaiscaracterísticasquesedestacamnosinversoresgrid-tiecomerciais.


7.1.1.4. Eficiência de Conversão (Conversion Efficiency) – ηCON

AEficiência de Conversão representaasperdasnaconversãodiretadecorrentecontínua (CC),emcorrentealternada(CA),compreendendoasperdascausadaspelotransformador–nos inversoresqueopossuem–,nosdispositivoschaveadoreseocontrolador,nosdispositivosdecoletadedados,etc.

Onde:

PCA=PotênciadeSaídaEfetiva

PCC=PotênciadeEntradaEfetiva

AEficiência de Conversãoémuitodependentedapotênciadeentrada.Aporcentagemtambémvariadeacordoàtensãodeentradadoinversor,umfatoimportantequefoidesprezadopormuitotempo.

7.1.1.5. Eficiência de Rastreamento (Tracking Efficiency) – ηTR

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

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

Onde:

PPV =Potênciamáximainstantâneadoinversor

Aflutuaçãodopontodeoperação–causadapeloindesejadoacoplamento da frequênciadaredenaparte CC – deveseramenorpossível,efeitomaisevidentenosinversoressemtransformador.

7.1.1.6. Eficiência Estática (Static Efficiency) – ηINV

AEficiência EstáticaéoprodutodaEficiência de ConversãopelaEficiência de Rastreamentoepodesercalculadaparaváriosregimesdecarga.

Geralmente, apenas a Eficiência De Conversão obtida durante condições nominais de operação éapresentada,comoeficiêncianominal,nasfolhasdedados(data-sheets).Alémdisso,frequentemente,éexibidaaeficiência máxima,quegeralmenteéentre50%e80%dapotencianominal.

Essamáxima eficiência só e alcançada sob determinadas condições de Irradiância e temperatura,cujasvariaçõessãoresponsáveispelofrequentefuncionamentodoinversoremestadoparcialdecargaeraramenteemestadonominal.Arelaçãoentreaeficiênciadoinversor,tensãodoarranjofotovoltaicoeoregimedecargatemaltainfluencianaprodução anual de energia.


Figura 80 - Curvas característica de vários inversores (especificações dos fabricantes)

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

7.1.1.7. Eficiência Européia (Euro Efficiency) – ηEURO

Demaneiraa facilitara comparaçãoentre inversoresbaseando-sena suaeficiência, foi criadoumpadrãoeuropeudemediçãodaeficiência,aEficiência Europeia (Euro),queécalculadaparaumtípicoclimaeuropeu.Afiguraabaixomostraafrequênciaeaenergiadediferentesclasses deradiaçãosolaremumanotípiconaAlemanha(lembre-sequeéeficiênciaeuropéia).

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

Observamos que, nessa região, raramente há irradiâncias em torno de 800 W/m², o que faz osinversores funcionarememregimeparcial.Considerandodiferentescenáriodecarga,aEficiência Euroécalculadaatravésdamédiadeeficiênciasestáticasem6regimes–carganominalemaiscincocargasparciais:

ηEURO = (0,03 * η5%) + (0,06 * η10%) + (0,13 * η20%) + (0,1 * η30%) + (0,48 * η50%) + (0,2 * η100%)

Osvaloresηn%representamaseficiênciasestáticas–η100%=100%deeficiência,η5%=5%deeficiência.Osvalorescomo0,03 ou 0,48representamafraçãodoanoemqueoinversorestánaeficiênciaindicada–em48% dotempoestaráfuncionandocom50%daeficiência.


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

7.1.1.8. Comportamento em Sobrecarga

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

1. Variaçãodopontodeoperação;

2. Limitaçãodapotência;

3. Desligamento/corte;

Quandooinversorrecebeumapotênciasuperioràsuanominal,seuscomponentesestarãosujeitosaumafortecargatérmica,oqueativaosistemadelimitaçãodepotência(nocaso2).Quandoéatingidaatemperaturalimitedoscomponentes,algunsinversoressedesligam(caso3),outrosativamexaustorese/ouvariamopontodetrabalho.Ostipos1 e2sãoosadequadosasubdimensionamentosnascondiçõesdescritasacima.

7.1.1.9. Registro de Dados Operacionais

Amaioria dos fabricantes oferecem sistemas de aquisição dos dados de operação dos inversores,geralmenteintegradosaestes,oucomdispositivosexternosqueapresentamdiretamenteosdadosouosenviaparaumcomputador,permitindoaavaliaçãodossistemasfotovoltaicos,emmuitoscasosemtemporeal.

Figura 82 - Dispositivos de aquisição de dados para inversores SMA

Emgeralosdispositivoscoletamasseguintesinformações:

• Entrada:TensãoVDC,correnteIDCepotênciaPDC

• Saida:tensãoVAC,correnteIAC,potênciaPACefrequênciaf|

• Tempo de operação

• Volume de energia gerada

• Status e falhas

Osmaisnovosmodelospossuemainda, interfacesmaismodernas, comoUSB,Bluetooth eWi-Fi,permitindoacomunicaçãodeumdispositivocomosqueestãopróximos,eaunificaçãomaissimplesdosdadosdeváriosaparelhos.


7.1.1.10. Outras Características dos Inversores Grid-Tie

Astabelasabaixodemonstramascaracterísticasquecostumamaparecernastabelasdedadosdosinversoresgrid-tie,esãodeextremaimportâncianahoradeescolheromelhordispositivoparadeterminadosistemafotovoltaico.


Parâmetro Símbolo Unidade DescriçãoPOTÊNCIAS

PotênciaNominalCC Pn DC W Potência fotovoltaica para a qual o inversor foidimensionado.

PotênciaMáximaFotovoltaica

PDC max W Máximapotênciafotovoltaicaqueoinversoraceita.

PontênciaNominalCA Pn AC W Potência CA que o inversor pode fornecer de modocontínuo.

MáximaPotênciaCA PAC max W MáximapotênciaemCAqueoinversorpodefornecerportempolimitado.

EficiênciaParcial η5% % Eficiênciaparcialcom5%dapotênciaCCnominal.η10% % Eficiênciaparcialcom10%dapotênciaCCnominal.η20% % Eficiênciaparcialcom20%dapotênciaCCnominal.η30% % Eficiênciaparcialcom30%dapotênciaCCnominal.η50% % Eficiênciaparcialcom50%dapotênciaCCnominal.η100% % Eficiênciaparcialcom100%dapotênciaCCnominal.η110% % Eficiênciaparcialcom110%dapotênciaCCnominal.

EficiênciaEuro ηEURO % Vejasessão7.1.2.4Eficiênciapordiferençadetemperatura

ΔηT %/C Reduçãodaeficiênciaportemperaturaambienteacimade25°C.

FatordePotência Cos φ Fatordecontroledapotênciareativa,quedeversermaiorque0,9.

Potênciadeativação PON W Potênciafotovoltaicaparaligaroinversor.Potênciadedesativação POFF W Potênciafotovoltaicaondeoinversoréautomaticamente

desligado.

PotênciaemStand-By PSTAND-

BY

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

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

TENSÕESTensãoCCNominal VnDC V Tensãofotovoltaicaparaaqualoinversorfoidesenvolvido.FaixadeTensõesMPP VMPP V Intervalodetensõesdeentradaondeoinversorsegue o

pontodemáximapotência

TensãoCCMáxima VDCmax V Tensãofotovoltaicamáximaqueoinversorsuporta.Tensãodedesligamento VDCoff V Mínima tensão fotovoltaicaparaaqualo inversor ainda

opera.

FaixadeTensãoCA VAC V Faixa de tensão da rede em que o inversor opera, seajustandoautomaticamente.

TensãoCANominal VnAC V Tensãonominaldoinversor,queparaospadrõeseuropeusé230V.

CORRENTESCorrenteCCNominal InDC A Correntefotovoltaicaparaaqualoinversorédimensionado.


CorrenteDCMáxima IDCmax A Máxima corrente fotovoltaica que o inversor suporta naentrada.

CorrenteCANominal InAC A Máxima corrente que o inversor injeta na rede dedistribuiçãodemodocontínuo.

CorrenteCAMáxima IACmax A Injetadanaredeemcurtoperíodo.Fator de DistorçãoHarmônica

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

OUTROSNíveldeRuido dB(A) Deacordoaotipoeclassededesempenho,váriosníveis

deruídoemoperaçãopodemsergerados,oquedeverserconsideradonaescolhadolocaldeinstalação.

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

faixasdetemperaturadefuncionamento,quedevemserconsideradasnahoradaescolhadoinversor.

7.2. Painel Fotovoltaico Para Sistemas On-Grid

AconfiguraçãoelétricadopainelfotovoltaicoestáintimamenteligadaàformadetrabalhodoinversorGrid-Tieescolhidoparaoprojetodosistema.

A configuração mais comum atualmente é a de alta tensão de entrada para os inversores semtransformador.Os inversoresdefileira (string-inverters), compotênciasnominaisentre1 kWpe3 kWp,querequeremfileiras(strings)comassociaçõesde6a18módulos,sãoosmaisutilizadoseminstalaçõesresidenciaisoucomerciaisdepequenoemédioporte.Deveserlevadaemconsideraçãoatensãomáximasuportávelpelosmódulosqueé,geralmente,emtornode600V.

Ospainéisfotovoltaicosparainversoressemtransformadornecessitamdeumsistemadeproteçãoelétricamaisaprimorado,masalgunsfabricantesjáincorporamemseusprodutosessasproteções,ficandoparaaequipedeinstalaçãomontarascaixasdejunçãodefileirasoupainéis.

7.2.1. Caixas de Junção

Essascaixasestanquesterãoemseuinteriortodososelementosdeproteçãodasfileirasemódulos:

• Fusíveis,queprotegerãooscabosdeexcessosdecorrente.

• Diodosdebloqueio,queprotegerãoasfileirasemódulosemcasosdesombreamentoparcial.

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

• InterruptorDC,quepermitaodesligamentodopaineloufileiraparatarefasdemanutenção.

Parafacilitaraconexãodosmódulosemumpainel,algunsfabricantesdemateriaiselétricospossuementreseusprodutos,caixasdejunçãoprontas.Estascaixasdejunçãojávêmcomtodososelementosde


proteção,dentrodeumacaixaestanque,queestádeacordoàsváriasnormasinternacionais.

Figura 83 - Caixa de junção comercial

Ascaixasdejunçãopodemserdefileiras(string-box)oudepainel/arranjo(array-box)ejápossuemosterminaisparaaconexãodiretadoscabos,utilizandoosconectorespadrãoMC3,MC4ouTyco.AgrandemaioriajápossuiointerruptorgeralDC.

7.2.2. Configurações e Conceitos

Ossistemasfotovoltaicoson-gridsão limitadospelaáreadisponível. Istoquerdizerque,duranteaconcepçãodosistema,épossívelaarquiteturadesistemasdequalquertamanhoecapacidade.Nospaísesquepossuemincentivosàinserçãodeenergiasrenováveis,acapacidadeinstaladapodeinfluenciarnopreço da eletricidade,oquefazosprojetistastomaremcuidadosespeciaisquantoàpotênciainstalada.

Vejamosagoraalgunsconceitosdesistemasfotovoltaicos,quepodemserutilizadoscomobaseparaváriosprojetos.

7.2.2.1. Sistemas com Inversor Central

Nossistemascominversorcentral,umúnicoinversortoma contadoarranjofotovoltaico.Podemserclassificadosdeacordoàformacomooinversor(ouinversores)sãointegradosaoprojeto.

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

Éutilizado com inversores com transformador.As correntes elétricas sãomaiores,mas as tensõessãomenores.Porpossuíremfileirascommenosmódulos,sãomenosprejudicadospelossombreamentosparciais.Devidoàgrandequantidadedefileirasemparalelo,temmaioresperdasdecorrenteedemandamcabeamentocommaiorseçãotransversal.


Figura 84 - Sistema com Inversor central com transformador.

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

Utilizadocomosinversoressemtransformador.Astensõessãomaiores,commaiorriscodechoqueelétrico.Ascorrentessãomenores,oquereduzasperdasporefeitoJouleeabitoladoscabos.

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

NestetipodeconfiguraçãoénecessáriosistemasdeproteçãoClasse II,devidoàausênciadoisolamentoproporcionadopelotransformador.Tambémsofremmaiscomossombreamentosparciais,poisasfileirassãomuitolongas,ecasoummódulovenhaarecebersombra,umaparcelamuitograndedapotênciadopaineldeixadesergerada(afileirainteirapodefuncionarabaixodoesperado).


7.2.2.1.3. Sistema Mestre-Escravo (Master-Slave)

Nocasodesistemasgrandes,épossívelousodeváriosinversoresqueentramemfuncionamentodeacordoaoníveldeIrradiânciaSolar.Umdosinversoresestáligadootempotodoe,àmedidaqueaumentaopotencial solar,ativaosdemaisinversores,quetambémsãodesativadosemcasodebaixaIrradiância. Para evitar o excessivo desgaste de apenas um inversor, acontece automaticamente umrevezamentodequalinversoréomáster.

Figura 86 - sistema com configuração master-slave

7.2.2.2. Sistemas de Grupos de Módulos

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

• OmissãodacaixadejunçãoPV

• OmissãodocaboprincipalDC

• Reduçãonocabeamentoparaasligaçõesemsérie

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

Autilizaçãodeinversoresdegruposdemódulosfacilitaainstalaçãodossistemasfotovoltaicosereduz,emcertoscasos,oscustosdeinstalação.


Figura 87 - Sistemas de Grupos de módulos

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

7.2.2.3. Sistemas com Módulos CA

Nesse tipo de sistema é utilizado um inversor para cadamódulo, constituindo ummódulo CA, jádisponívelnomercado.Existeminversoresdetamanhoreduzidoobastanteparacabernacaixadeconexãodomódulo.Cadamódulotendoseupróprioinversorpermitequetrabalhememseupontodemáximapotênciaindividualmente,oquenãoaconteceemoutrasconfigurações.Outravantagemestánamodularidade,quepermiteumaexpansãodosistemaqueemoutrosconceitosnãoseriatãosimples.

ComodesvantagemdosmódulosCA,podemoscitaramenoreficiênciadosmicro-inversoresemrelaçãoaosdegruposdemóduloseseupreçoaindaproporcionalmentesuperioraodosinversoresconvencionais.Esseconceitoéinteressanteparaocasodesistemasfotovoltaicosintegradosàarquiteturaemquesãomaiscomunsossombreamentosparciais.


Figura 88 - sistemas com módulos CA

Figura 89 - Micro inversores para módulos PV



Autônomos


8. Sistemas Fotovoltaicos AutônomosUmsistemafotovoltaicoisolado(off-grid)éaquelequenãoestáemcontatocomaredeelétricada

concessionária.Umsistemaisoladopodeserfeitonumacidadesemproblemaalgum.O“isolado”donomedizrespeitotambémaoafastamentodaredeelétrica.

8.1. Painel Fotovoltaico

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

Figura 90 - Painel fotovoltaico 24 V de sistema autônomo

Geralmentesãoutilizadosmódulosde36ou72células,quetemastensõesnominaisadequadasparaoscontroladoresdecargasemMPPT.Alémdisso,osmódulosparasistemasisolados,nãopossuem,emsuagrandemaioria,cabosdeconexãocomconectorespadrão.

8.2. Banco de baterias

Umbancodebateriaséconstituídoporumaquantidadecalculadadeelementosconectadosemseriee/ouparalelo,quefornecerãoapotênciademandadapelascargas,noperíododeautonomiaemquedevemfuncionarsemreceberrecargadoarranjofotovoltaiconosdiasseminsolação.


Figura 91 - Banco de baterias em uma grande central PV

8.2.1. Funções do banco de baterias

Emsistemasisolados,abateriastemasseguintesfunções:

• Autonomia:essaéafunçãomaisimportante,queésupriraenergiaparaosconsumos,quandoopainelnãoécapazdegerarenergiasuficiente.Issoacontecetodasasnoites,etambémnosperíodoschuvososounublados,quepodemvariaduranteodia.

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

• Fornecer correntes elevadas:abateriaoperacomoumbuffer,fornecendocorrentesdepartidaelevadas.Algunsdispositivos(comomotores)requeremaltascorrentes(de4até9vezesacorrentenominal)parainiciaroseufuncionamento,estabilizandoeutilizandocorrentesmaisbaixasdepoisdealgunssegundos.Outrosdispositivosmaisvorazesentrarãoemfuncionamentoporcurtoperíododetempo,masconsumirãomuitapotência.Asbateriasfornecerãoessaaltapotênciamomentânea,eserãocarregadaslentamentepelopainelfotovoltaicoduranteodia.

8.2.2. Baterias para Sistemas Fotovoltaicos

Asbateriasparausofotovoltaicocostumamserdechumbo-ácidooudeníquel-cadmio.Asbateriasdeníquel-cádmiosuportamdescargasmaioresetemmaiorvida-útil,masseualtocustoebaixadisponibilidadeastornamviáveisemsistemasmuitoespecíficosquenecessitamdealtaconfiabilidade.

Outrostiposdebaterias,comoasdeÍonsdeLítio,nãosãoviáveisparasistemasfotovoltaicos,devidoàcapacidadedosbancosdebateriasparaessaaplicação.Éarelaçãocusto-benefícioquefazcomqueasbateriasdechumbo-ácidosejamasescolhidasparaamaioriadossistemasPVisolados.

Comosãoasmaisutilizadas,asbateriasdechumbo-ácidoserãooobjetodonossoestudoapartirdeagora.

8.2.2.1. Constituição e funcionamento de uma Bateria de Chumbo Ácido

Bateriasde chumbo-ácido são constituídasdecélulas individuais – tambémchamadasdepilhas –comtensãonominalde2Vcadauma,quenasbateriasemmonoblocosãoligadasemsérieparaalcançaratensãonominal.(6célulasconstituemumabateriade12volts).


Cada célula é constituída basicamente por duas placas demetais diferentes (uma positiva, outranegativa)isoladasporseparadoreseimersasemumasoluçãoaquosadeácidosulfúrico(H2SO4).Asplacassão eletrodos de chumboem formatode grade coma funçãode segurar a matéria ativa e conduzir acorrenteelétrica.Éamatéria ativaporosaquearmazenaaenergia,comsuaestruturaesponjosafornecendoáreadesuperfícieparaareaçãoeletroquímica.Nabateriacarregada,amatériaativadaplacanegativaéochumbo(Pb)eamatériaativadaplacapositivaéodióxido de chumbo(PbO2).

Figura 92 - Bateria de chumbo-ácido

Aosefecharumcircuito,oselétronsfluemdopolonegativoparaopolopositivo,provocandoumareaçãoquímicaentreasplacaseoácidosulfúrico,quelevaàformaçãodesulfato de chumbo(PbSO4)nasduas placas – reação chamadade dupla sulfatação – que consomeo ácido, tornandoo eletrólitomaisaquoso,processoquepodesermedidocomumdensímetro.

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

Estado de Carga Densidade do Eletrólito100%(plenacarga) 1,225g/cm³

90% 1,216g/cm³80% 1,207g/cm³70% 1,198g/cm³60% 1,189g/cm³50% 1,180g/cm³40% 1,171g/cm³30% 1,162g/cm³20% 1,153g/cm³10% 1,444g/cm³

0%(descargatotal) 1,135g/cm³

QuandoosistemaPVrecarregaabateria,oselétronsfluememsentidocontrário–dopolopositivoparaopolonegativo–revertendoareaçãoquímica.Oprocessonãoétotalmentereversível,poispequenasquantidades de sulfato de chumbo não se dissolvem, processo chamado de sulfatação que aumenta àmedidaqueosciclosdecargaedescargaacontecem,diminuindoacapacidadedabateria.Quantomaior


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

Figura 93 - Expectativa de vida útil de uma bateria pela profundidade de descarga

Aresistênciainternadeumabateriadechumbo-ácidovariadeacordoàcarga,sendomaiorquandoabateriaestádescarregadadevidaàmenorconcentraçãodeácidonoeletrólitoeàpresençadosulfatodechumbonasplacas.Àmedidaqueabateriavaisendocarregada,asuaresistênciainternadiminui,fazendocomqueabateriaaceitemelhoracarga.Porissoumabateriacommenorprofundidadededescargaduranteocicloérecarregadamaisrapidamente.

Quandoatingeatensãofinaldecarganascélulas,abateriadeveserdesconectadadocarregador,poisseiniciaumprocessodeeletrólisedaáguapresentenoeletrólitoquelevaadoisinconvenientes:

1–Perdadeágua,quefazoácidoseconcentrarmais,setornandonocivoàsplacasatéasecagemtotalquedeterminariaofimdabateria.

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

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

Estado de carga Tensão em Circuito Aberto

100%(plenacarga) 12,72V

90% 12,48V

80% 12,42V

70% 12,30V

60% 12,18V

50% 12,06V

40% 11,88V

30% 11,76V

20% 11,58V

10% 11,34V

0%(descargatotal) 10,50V


8.2.2.2. Tipos de Baterias de Chumbo-Ácido

Deacordoaotipodeeletrólitoeatecnologiadeconstruçãodasplacas,asbateriasdechumboácidopodeserclassificadasem:

• Baterias de Eletrólito Liquido: as baterias mais comuns em instalações fotovoltaicas, sãocompostaspelasplacasepeloeletrólitoemestadolíquido.Essaéaconcepçãodasbateriasautomotivas,produzidasemlargaescala,porissosãoasmaisbaratasefacilmenteencontradasnomercado. Nas baterias automotivas, chamadas de baterias de partida ou SLI, sigla eminglêsparaStarting-Lightining-Ignition,oseletrodospositivosenegativossãogradesondesãodepositadosasmatériasativas,chumboedióxidodechumbo.Essasbateriasutilizadasparaapartidademotores—querequeremaltascorrentes(até200 A)poralgunssegundos—nãosãoadequadasparasistemasfotovoltaicos,poissãoconstruídasparaforneceremapenasumafraçãodasuacapacidade(até10%)emdescargasmuitoaltaseperíodosmuitoscurtos.Suasplacassãomaisfinaseemmaiornúmero,alémdoeletrólitopossuirmaiorteordeácido.Seforemsubmetidasaprofundidadededescargamaiorque50%,podemfalharempoucosdias.

Asbateriasparasistemasfotovoltaicossãodesenvolvidasparafuncionamentointermitente.Diferenciam-sedasanteriorespelasuacapacidadedesuportarmuitosciclosdedescarga,comdescargaprofunda.Possuemplacascommaismatéria ativaeemmenornúmero,eoácidoémenosconcentrado.Devidoaessesfatores,essetipodebaterianãoérecomendadoparaapartidademotores,oumesmoparausoemveículoselétricos.

Figura 94 - BAteria de eletrólito líquido

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

Ao contrário das baterias de eletrólito líquido, as baterias de eletrólito imobilizado nãonecessitamsereminstaladasemlocaisventilados,poissãofechadasepossuemumsistemacomválvuladesegurançaquelimitamasaídadosgasesliberadosemcasosdesobrecargas,porissosãochamadastambémdebaterias de chumbo-ácido reguladas por válvula(VRLA,do inglês: Valve Regulated Lead Acid). Não requerem a reposição de água, por isso sãoseladasenãonecessitamdemanutenção.Oscontroladoresdecargadevemserespecíficosouajustadosparatrabalharcomasbateriasdeeletrólitoimobilizado,poisestasnãopodemrecebersobrecargas.Sãobateriascomgrandevidaútil,geralmenteodobrodavidaútildasbateriasdeeletrólitolíquido,sobasmesmacondiçõesdeprofundidadededescarga.Devidoataiscaracterísticas,sãomaiscarasqueasbateriascomuns.


Figura 95 - Bateria de eletrólito imobilizado (VRLA)

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

PodemserdotipoOPzS,siglaemalemão(Ortsfeste Panzerplatte Spezial)quesignificaPlaca Tubular Estacionária Especial,comeletrólitolíquidoeseparadoresespeciais;oudotipoOPzV (Ortsfeste Panzerplatte Verschlossen)quesignificaPlaca Tubular Estacionária Selada,quetemeletrólitoemgelereguladasporválvula.

Adiferençaentreessasbateriaseasanterioresestánaformadoseletrodospositivos,quesãotubulares,comtubospermeáveisemtornodasvaretas,atravésdosquaiscirculaoeletrólito.Essestubosmantemamatériaativaconfinada,evitandoalgunsdosefeitosdoenvelhecimentodasbaterias(veja8.2.4),aumentandootempodevidadasbaterias.

Estasbateriastemvidaútilmuitosuperioràsbateriascomuns,massãomaisvolumosas,maispesadasetemmaiorcustodeinstalação,inclusivenospreçoscomerciaismuitosuperioresaoutrostiposdebaterias.

AsbateriasOPzSnecessitamdemanutençãoemperíodosde6mesesa3anos,enquantoasbateriasOPzVnãorequeremmanutençãoduranteasuavidaútil.

Figura 96 - Eletrodos positivos de uma baterias OPzS

• Baterias de Bloco com Placas Positivas Planas (Blocos OGi): as bateriasOGi (do alemão:Ortsfeste Gitterplatten, que significa: Placas Estacionárias Radiais) são dotipo estacionária,comoseletrodospositivosemformatodeplacaplanacomumaconfiguraçãoqueestáentreadasbateriasdegradeeasbateriasdeeletrodotubular.Asvaretasencaixadasemumprotetorcomum,quepossibilitaafabricaçãodeplacasplanasmaisbaratasqueastubulares,mascomvidaútilmuitomaior.Oseletrodosnegativosdeumabateria de blocosãoemformatodegrade.


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

Figura 97 - Placa positiva de bateria OGi

Asbateriasestacionáriaspodemserdisponibilizadasemmonobloco(quandoosvasosquecompõemabateria estãodentrodeuma carcaçaúnica) ouemvasos independentes (quando temos vários vasos,geralmentetransparentesquedevemserligadosemsérieparaalcançaratensãonominal).Osvasostemmaiorcapacidadedecarga (emAmpèrehora),masa tensãoémenor (2voltsnominais,nasbateriasdechumbo-ácido)esãoosmais indicadosparasistemasmuitograndes.Asbateriasespeciaisparasistemasfotovoltaicos (OPzS, OPzV eOGi) são disponibilizadas, geralmente, em formato se vasos transparentes.Bateriasespeciais, pela sua tecnologia, sãodesenvolvidaspara vidaútil entre10e20anos.Asbateriasmonoblocotemvidaútilentre2e5anos.

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

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

8.2.3. Desempenho e Características das Baterias de Chumbo-Ácido

Vejamosalgunstermosrelativosàsbateriasquedevemosconsiderar,nomomentodeprojetarumbancodebaterias:

• Carga/Descarga:processodeconversãodaenergiaelétricaemenergiaquímicaeviceversa.


Duranteoprocessodecargaatensãodabateriaaumentagradativamentee,depoisdecertovalor,inicia-seoprocessodegaseificação(eletróliseeliberaçãodosgases).Próximodatensãodegaseificação,ofabricantedeterminaovalormáximodetensãoparaacargadabateria,depoisdoqualoprocessodecargaéinterrompido.EssaéafunçãodoReguladordeCarga,queaplicaaindaatensãocorretadeacordoàtemperaturaambiente.

Àmedidaqueabateriasedescarregaatensãodiminui.Cairapidamentenoiníciodevidoàsperdasôhmicas,depoiscaicontinuamenteatéofimdacarga,quandocairapidamenteeatingeovalorlimiteapartirdoqualaconcentraçãodoácidodiminuimuitoecomeçamosefeitosnocivosdasulfatação(citadoabaixo).

• Capacidade:éaquantidadedecargaelétricaqueumabateriapodeforneceratéficartotalmentedescarregada.Acapacidadeéoprodutodadescargaconstante(In)pelotempodedescarga(tn):

Cn=In * tn.

Éaformaeonúmerodepilhasligadasemparaleloquedeterminamacapacidadedeumabateria.Essevalordependedatemperaturadeoperação,datensãofinaleprincipalmentedacorrentededescarga.Comcorrentesdedescargamenores,adeposiçãodosulfatonasplacasacontecevagarosamente,oquepermitemaiorpenetraçãodosulfato.Commaiorescorrentesdedescargaadeposiçãodosulfatoacontecemaisrapidamente,asmoléculassedepositamnocomeçodasplacaseatrapalhamasmoléculasseguintes.Ouseja,épossívelretirarmaisenergiadabateriaquandoéfeitauma descarga lenta,doquequandoéfeitaumadescarga rápida.Éporissoqueacapacidadenominal(Cn)dabateriatemqueserespecificadadeacordoàcorrentededescarga,oudeacordoaotempodedescarga.

o Capacidade nominal Cn:quantidadedecargaextraíveldeumabateria(ouelemento)emnhoras,emumatemperaturamédiade25°C,edeterminadacorrente,atéqueatensãodabateriacaiapara1,8V/elemento(10,5Vnumabateriamonoblocode12Vnominais).Seacapacidadetotaldeumabateriaforutilizadaem10horas,serádrenadaumacorrentemuitomaiordoqueseadescargaforfeitaemumperíodode100horas.UmabateriadeC100 = 100 Ah,podeserdescarregadaem100horascomumacorrentede1 A.Sedessabateriafordrenadaumacorrentede8 A,elaatingiráatensãofinalem10 horas.SuacapacidadeemC10seráde80 Ah(C10 = 80 Ah).Ofabricanteéquemindicaqualéacapacidadenominaldabateria,sendoqueparaasbateriasestácionárias(parasistemasdebackup)édeC10,parabateriasdepartidaédeC20eparaasbateriasfotovoltaicasédeC100.

o Capacidade útil:capacidadeutilizáveldabateria.Éoprodutodacapacidadenominalpelaprofundidadededescarga.

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

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

• Ciclo:sequênciacompletadecargaedescargadabateriaemdeterminadaprofundidadededescarga.Quantomenoraprofundidadededescarga,maisciclosumabateriasuporta.Umcicloéabertoquandoabateriacomeçaasedescarregar,eéfechadoquandoabateriaécompletamente recarregada.Emumsistemafotovoltaicoquenãorecebeusuficienteradiaçãosolar,obancodebateriasnãoserácompletamentecarregadoeociclocontinua,comprofundidadededescargamaior.

• Corrente:assimcomoacapacidade,édeterminadabaseando-senoperíododescarga/descargadabateria:


I20 = C20/20 h

I100 = C100/100 h

8.2.4. Efeitos do Envelhecimento nas Baterias

Ograndeinconvenientedasbateriaséasuacurtavidaútil,entre2e6anos(de10a15anos,paraasbateriasfotovoltaicasespeciais).Osmotivosdavidaútilreduzidasãoosprocessosdeenvelhecimentosofridos pelos elementos. Esses processos reversíveis ou não, que podem se influenciar e intensificarmutuamente,sãolistadosaseguir:

• Estratificação do Eletrólito (reversível):comoprocessodecargaedescarga,oácidonoeletrólitotendeadescerparaofundodabateria,devidoàsuamaiordensidadeemrelaçãoàáguaqueéliberadanoprocesso.Duranteoprocessoderecarga,oácidovaiserecombinandocomaágua,mascontinuamaisconcentradonaparteinferior,provocandomaiordiferençadepotencialemaiordesgastenaparteinferiordascélulas.Paraevitaraestratificaçãoérecomendávelumapequena gaseificação controlada do eletrólito, através de uma carga de equalização, queconsisteemumasobrecargaporcurtoperíodo. Oscontroladoresdecargamaissofisticadossãocapazesdeaplicarcargasdemanutenção.CasoosistemaPVnãodisponhadessetipodecontrolador,otécnicopelamanutençãodeveportarumcarregadoroutransportarabateriaparaessatarefa.

Bateriasdeeletrólitoimobilizadonãosofremesseefeitoenãopodemreceberascargasdeequalização,queasdanificaria,alémdeoutrosriscosoperacionais.

• Corrosão (irreversível): acorrosãodagradedechumbodopolopositivoécausadapeloaltopotencialpositivo,queprovocaoaumentodaresistênciadagrade.Ocorrecommaisfrequênciaquandoatensãoultrapassaos2,4 Vouficaabaixodos2,0 V.Asescamasdematerialcorroídoquecaemdasplacaspodemprovocarcurtos-circuitos.

• Sulfatação (Irreversível): Se a bateria não for suficientemente carregada depois de umadescarga,começamaseformarcristaisdesulfatoquenãosãomaisconvertidosemchumboouóxidodechumbodurantearecarga.Comissoamatériaativadiminuiejunto,acapacidadedecargadabateria.Aparteinferiordacélulaeamaisafetada,poisraramenterecebeumarecargatotal.

• Sedimentação (irreversível): avariaçãodevolumeduranteosprocessosdecargaedescargaprovocaodesprendimentodematériaativaque,comaformaçãodegásnoeletrólitoficasoltoecainofundodovaso.Seoespaçoentreofundoeasplacasforpequeno,essespedaçosdematériaativapodemcausarcurto-circuitoentreasplacas.

• Bateriasdeeletrólitoimobilizadonãosofremdesseproblema.

• Secagem (irreversível): seocorreragaseificaçãototaldoeletrólitoeaágua(destilada)nãoforreposta,abateriasecaráenãofuncionarámais.

Bateriasdeeletrólitoimobilizadonãosofremdesseproblema.

8.2.5. Cuidados com Baterias Estacionárias:

Paraumamaiorvidaútildobancodebaterias,algunscuidadosdevemsertomados:

• Evitardescargasdiáriasmaioresque30%deprofundidade.

• Evitardescargasnofimdaautonomiamaioresque60%.

• Sempreinstalarasbateriasemlocaisventilados(excetoasdeeletrólitoimobilizado)edeacessorestrito.

• Conferirperiodicamenteoníveldeeletrólitodasbateriasúmidas,poisasecagemdoeletrólito


determinaofimdabateria.

• Manterosterminaislimposeapertados,evitandoaumentoderesistênciaoupossibilidadedecurto-circuitocausadopeloacúmulodesujeiraúmida.

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

• Fazermanutençãoperiódica,nomínimoacada6meses,aoutilizarbateriasdeeletrólitoúmido.Nasbateriasdeeletrólitoimobilizadoérecomendávelamanutençãoanual.

• Evitarbateriasautomotivasparaaconcepçãodobancodebaterias,poisnãosãoadequadaseterãoquesersubstituídasemperíodosmuitocurtos.

Quantoàreciclagem,oBrasiljátemlegislaçãoqueexigequeofabricanterecolhaumabateriaparacadaunidadevendida.

Ochumboeacarcaçapodemserrecicladosparaacriaçãodeumanovaunidade,enquantoosrestosdeácidopodemsertratadosantesdeseremdepostos.Essesprocedimentosminimizamoimpactoambientaldeseutilizarasbateriasdechumboparaacumularenergiaeminstalaçõesfotovoltaicosautônomas.

8.3. Controlador/Regulador de Cargas

Emumsistemafotovoltaicoautônomo,atensãodoarranjofotovoltaicodevesercompatívelcomatensãonominaldobancodebaterias,quecostumaserde12 V,24 V,ou48 V.

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

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

• Aplicandoumcurto-circuitonoarranjoPVatravésdeumcontroladorshunt.

• Ajustandoatensãodoarranjo,comofazemoscontroladorescomMPPT.

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


Figura 99 - Controladores de carga

Asfunçõesfundamentaisdeumcontroladordecargasão:

• Controledaperfeitarecargadobancodebaterias.

• Proteçãocontrasobrecargasindevidas.

• Proteçãocontradescargaexcessiva(acimade80%,ouajustável).

• Informaçãodoníveldecargadobancodebaterias.

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

Comoatensãoderecargadevevariaremfunçãodatemperatura,oscontroladoresdecargadevempossuirumsensor,queseforintegradoaocontrolador,essedeveserinstaladopróximoaobancodebaterias.Emalgunsmodelososensoréexterno,permitindosuainstalaçãosobreasbaterias.

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

Oscontroladores suportamcorrentes limitadas, tantodeentrada (doarranjo fotovoltaico),quantodesaída (dascargasCC).Possuemfusíveisdeproteçãoparaoscomponentessensíveiscontraoexcessodecorrentee,geralmentepossuemomesmolimitetantonaentradaquantonasaída.Oscontroladorescomerciaistemcapacidadequevãode5 Aaté60 A.Paraarranjosfotovoltaicosmaiores,podemserutilizadosvárioscontroladoresemparalelo,ouoarranjoédivididoempainéis menoresligadosaomesmobancodebaterias.Estaúltimaconfiguraçãodámaissegurançaeflexibilidadeaosistemapois,nocasodefalhadeumdospainéis,osdemaiscontinuamfornecendopotencial.Nosdoiscasos,nãoérecomendadoousodecontroladoresdiferentes.


8.3.1. Formas de Controle de Carga

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

8.3.1.1. Controladores Série

Quandoobancodebateriasalcançaatensãomáximadecarga,essetipodecontroladordesconectaoarranjofotovoltaicoatravésdeumrelêouumachave de estado sólido,voltandoaconectaroarranjoPVquandoatensãocaiparadeterminadovalor.Essasconexõesedesconexõescriamumaoscilaçãodetensãopróximaàtensãomáximadecarga,mastambémcriaperdasdeenergia.

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

8.3.1.2. Controladores Shunt

Umcontroladorshuntreduzcontinuamenteapotênciadoarranjofotovoltaico,apartirdomomentoem que a tensãomáxima de carga é alcançada. Como o arranjo continua gerando energia, a correnteexcedenteéusadacomocorrente de curto circuitonoarranjoPV,quepodetrabalharemcurtocircuito–sofrendoapenasumleveaumentodetemperatura.Esteéométodoidealparaasbaterias,poisarecargaéfeitadeformaseguraeeficiente.

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


8.3.1.3. Controladores com MPPT

Comoéatensãodasbateriasquedeterminaopontodeoperaçãodoarranjofotovoltaico,fazendocomestestrabalhemforadopontodemáximapotêncianamaiorpartedotempo,oscontroladoresdecargadotiposhuntousérienemsempreconseguemaproveitaromáximodaenergiasolardisponível.Asperdasenergéticaspodemficarentre10%e40%,deacordoàtensãodasbaterias,dairradiânciaedatemperatura.Essasperdaspodemserevitadasaoseutilizarumsistemadeseguimento do ponto de máxima potência (MPPT)queé,basicamente,umconversorDC/DCregulado.AregulageméfeitaporumMPPTqueacada5minutos(aproximadamente)estudaacurvacaracterísticaI-Vdoarranjofotovoltaicoedeterminaoponto de máxima potência, regulandoo conversorDC/DCpara aproveitar aomáximoapotênciado arranjo eajustando-oemfunçãodatensãodecargadasbaterias.AeficiênciadoconversorDC/DCestáemtornode90% a 96%.

Figura 102 - Esquema de funcionamento de um controlador com MPPT

OusodecontroladoresMPPTsóéeficienteemsistemacompotênciapicosuperiora200Wp,poisempotênciasmenoresasperdasnoconversorDC/DCsãomaioresqueosganhos.Devidoàmaiorcomplexidadeesofisticaçãodocircuitoeletrônico,oscontroladoresMPPT sãomaiscarosqueoscontroladoresdotipoSérieouShunt,eseuusoébenéficoemsistemacompotênciapicosuperiora500Wp.

8.3.2. Critérios de Seleção de um Controlador

Nahoradeescolheroregulador/controladorparaumsistemafotovoltaico,levamosemconsideração:

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

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

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

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


8.4. Inversores Autônomos

Nossistemasfotovoltaicos,ageração,armazenamentoedisponibilizaçãodaeletricidadeénaformadecorrente contínua (CC).Paraautilizaçãodeaparelhosque funcionamcomcorrentealternada (CA)énecessárioumconversorquetransformeacorrentecontínuacomtensõesentre12 Ve48 V,emcorrentealternadacomtensõesde127 V ou 240 V.EssaéafunçãodosInversores Autônomos,utilizadosemsistemafotovoltaicosisolados.

Figura 103 - Inversores para uso fotovoltaico.

8.4.1. Características dos inversores Autônomos

Ascaracterísticasdesejáveisparaaescolhadeumbominversorparaumsistemafotovoltaicoautônomosãolistadasabaixo:

• Boa eficiência na conversão elétrica:.Érecomendadoqueo(s)inversor(es)tenha(m)eficiênciaacimade80%. Aeficiênciamáximadeuminversoracontece,geralmente,quandoesteestáfornecendoentre50%e70%desuacapacidadenominalcontínua.Inversoresmaissofisticadosconseguemaltaseficiênciasmesmoquandoparcialmentecarregado,oucomcargapróximaàmáximanominal.

• Alta capacidade de sobrecarga: um inversor deve ser capaz de fornecer uma potênciainstantânea bemmaior que a potência nominal, o que permitirá a partida de dispositivoselétricosqueconsumamaltacorrentedepartida(ex.:motores),semanecessidadedesuper dimensionaroinversornafasedeprojeto.

• Tolerância para as flutuações de tensão das baterias:duranteosprocessosdecargaedescarga,atensãodasbateriasvariadetalmaneira,quepodesernocivaadispositivosmaissensíveis.

• Baixo autoconsumo:(quandoemstand-by)edetecçãoautomáticadecargas.

• Proteção contra curto-circuito na saída CA.

• Altaproteçãoeletromagnética.

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

• Proteção contra surtos.

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

TiposdeInversores

Deacordoaoformatodeondadesaídaosinversoresautônomospodemserclassificadosem:

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


adequadosparamotores.Temdistorçãoharmônicaquepodechegaraaté40%,erendimentosemtornode60%.

• Inversores de onda senoidal modificada:Sãoosqueapresentamamelhorrelaçãocusto-benefício.Oformatodaondadesaídanãoéumasenóidepura,masseaproximamuito.Podemalimentar quasetodotipodecarga,masnãosãorecomendadosparaaparelhoseletrônicosmaisdelicados.Temdistorçãoharmônicaemtornode20%,erendimentosemtornode90%.

• Inversores de onda senoidal pura:Sãoosquetêmformatodeondadesaídaigualàredeelétricadasconcessionárias.Sãoindicadospraalimentardispositivoseletroeletrônicosmaissensíveiseatualmenteestãosendomaisutilizadosqueosoutrostiposdeinversores.Nãoapresentamproblemasquantoadistorçõesharmônicasouestabilidadedatensão.Sãomaiscarosqueosinversoresdeondaquadradaousenoidalmodificada.

8.4.2. Critérios de Seleção de Inversor Autônomo

Fontesdeenergiaemcorrentecontínuade12 V ou 24 Valcançamseuslimitesquandoénecessárioalimentarcargasmaispoderosasouquandoénecessárioumsegmentodecabomuitocomprido.Baixastensõesrequeremaltascorrentesparaforneceremomesmopotencialelétrico,eissodeterminaousodecabeamentocomgrandeseçãotransversal.Soma-seaestesfatoresanãodisponibilidadedamaioriadoseletrodomésticos eoutros aparelhos em corrente contínua. Emalguns casos, atémesmoos sistemadeiluminaçãoficamaiseficiente,sealimentadoporuminversor.

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

Paraaescolhadapotêncianominaldoinversor,utilizamosaseguinteequação:

Onde:

PI =Potêncianominaldoinversor

WAC=PotênciadascargasCAligadassimultaneamente

FS=Fatordesegurança.

Ofatordesegurançaserádimensionadodeacordoàquantidadedecargascomaltaspotênciasdepartida,comogeladeira,lavadoraderoupas,ferramentaseoutrosmotores.

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

t


Figura104-Esquemadeligaçõessimplificado.


Dimensionamento de

Sistemas

Fotovoltaicos Autônomos.


9. Dimensionando Sistemas Fotovoltaicos AutônomosNestecapítulofaremosodimensionamentodeumSistemaFotovoltaicoAutônomo.

OexemplodecálculoseráumpequenosistemaquesuprirádeenergiaelétricaumapequenaresidênciaruralsituadanasproximidadesdaCidadedeSãoPaulo.

ParadefinirtodososelementosquecomporãoSFAemquestãovamosseguirumalógicaderaciocínionocálculodecadacomponente,segundoalistaaseguir:

1. CaracterísticasdoSistemaFotovoltaico.

1. Demandadiáriamédia

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

2. BancodeBaterias.

1. CapacidadeÚtil

2. Profundidadededescarga

3. CapacidadeReal

4. Configuraçãodoselementos

3. PainelFotovoltaico.

1. Disponibilidadesolar

2. Potencialsolarnoplanodopainelfotovoltaico

3. Cálculoeconfiguraçãodeelementos

4. Controlador(es)decarga

4. Cabeamento

DuranteodimensionamentodoSFAfaremosusodediversasfórmulas rápidasque,sememorizadas,permitirãoocálculorápidoemqualquersituação.

Acostume-secomasfórmulaseostermosutilizadosnestetexto.Parafacilitaramemorização,transcrevemoscadaumdostermosemumasigla.Vejasasfórmulasesiglaslogoabaixo.

Nodecorrerdoexercíciocomentadodestecapítulofaremosusodecadaumadessasfórmulas.Sepreferir(copiee)destaqueestapáginaefaçaváriosexercícios.

Ométododecálculoapresentadoaquisódeveserutilizadoparasistemasfotovoltaicosautônomosqueutilizemmódulosfotovoltaicosparasistemasautônomos(módulosStandard)de36ou72células.


Nomenclaturas:

NB=NúmerodeBaterias

BS=Bateriasemsérie(paraalcançaratensãodeprojeto).

BP=Bateriasemparalelo(paraalcançaracapacidadedeacumulaçãonecessária).

Vi=Tensãodeoperaçãodosistema(emVolts).

VB=Tensãonominaldabateria/elemento(emVolts).

CR=CapacidadeRealdoBancodeBaterias(emAmpereshoraAh).

CN=CapacidadeNominaldaBateria/elemento(emAh).

CU=CapacidadeútildoBancodeBaterias(emAh).

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

ER=EnergiaRealdiária(jácomputadasasperdas).

ED=EnergiaDiáriaaserfornecidasàscargas.

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

Nm=Númerototaldemódulosfotovoltaicos.

mS =Módulosemsérie(paraalcançaratensãodeprojeto).

mP=Módulosemparalelo(paraalcançaracorrentedeprojeto).

Vi=Tensãonominaldeoperaçãodainstalação(emVolts).

=Tensãonominaldomódulofotovoltaicoescolhido(emVolts).

=EnergiaqueoPaineldeverágerardiariamente(emWh/dia)

=CorrentedeMáximaPotênciadoMóduloescolhido(emA)

=Potencialenergéticodolocaldainstalação,noplanodopainel(HorasdeSolPlenoemkWh/diaemmédiamensal)

ER=EnergiaRealdiária(jácomputadasasperdas).

HC=Energiasolarincidentenolocaldainstalação(emkWh/m²)

=Coeficientederelaçãodaenergiaincidentenumplanoinclinadoorientadoaoequador,eoplanohorizontal(chão).

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

NB = BS * BP

BS =

BP =

CR =

CU =

ER = Nm = mS * mP

mS =

mP =

=

HSP =


Qt Descrição Potência (Wh)

Tempo de uso (h)

Consumo Diário (Wh/Dia)

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

Subtotal 807 Wh/dia

NotequemultiplicamosapotênciaemWattsdoaparelhopelotempodeuso,eassimobtemososeuconsumoelétricoemWatthorapordia(Wh/dia).Soma-seoconsumodetodososaparelhoseteremosopotencialelétricoqueosistemafotovoltaicodeveráforneceràscargas.Esseéoprimeirodado,eumdosmaisimportantes,paraaconcepçãodeumsistemafotovoltaico.

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

Qt Descrição Potência (Wh)

2 Lâmpadasnasala(fluorescente) 9W1 Lâmpadanacozinha(fluorescente) 9W3 Lâmpadasnosquartos(fluorescentes) 9W1 Tv+antenaparabólica 120W

Total 174 W

Apotênciaqueoinversordeverácontrolarseráde174 Wdemaneirapermanente.Comoosconversoresdecorrente,têmsuamáximaeficiênciaaotrabalhonafaixaentre50%e70%dasuacapacidademáxima,devemospreverumafolgaaodimensionaroinversor.Nocasoapresentadoagora,teremososeguintecálculo:

Podemosescolher,nalistadeprodutosdeumdosfornecedores,uminversorcompotênciacontínuaentre250We350W,comsaídapara127Volts.

NesteexercícioexemploutilizaremosumInversorAutônomodofabricanteXantrex,modeloProwatt 250,comasseguintescaracterísticas:

Máxima Potência Contínua 250 WattsPotência de Surto/Pico 500 WattsTensão de Saída CA 115 V(padrãoamericano)Tensão de Entrada CC 12 V ou 24 VEficiência Máxima 90%Formato de Onda de Saída OndaSenoidalModificada

Notequeofabricantenãocitaafaixademáximaeficiência,apenasoseuvalor:90%.Esseinversorautônomotem

potênciadesurto/picode500 Wattseasaídaéemondasenoidalmodificada,nãosendoadequadoparaapartidademotores.Atensãodeentradapodesertanto12Voltsquanto24Volts.Recomenda-seatensãode24Volts,poisassim a bitoladosfiospoderásermenor,semquehajamperdasdepotênciaelétrica.

Devidoaofatodoinversorautônomotereficiênciamáximade90%,deve-seconsiderarumnovovalorparaaenergiaelétricaasergeradadiariamentepelosistemafotovoltaico(ED),queleveemcontaoautoconsumodoinversor.Paraisso,dividimosovalorencontradoanteriormente(807 Wh)pelovalordaeficiênciadoinversoremdecimal(0,90):


= 897 Wh/dia

Ovalormostradoacimaéoquedevechegaratéosterminaisdoinversor,emcorrentealternada,equeseráconvertidoemcorrentecontínuaparaaalimentaçãodascargascalculadasanteriormente.

Devidoàsperdasemtodososelementosquecompõemosistemafotovoltaico,devemosconsiderarumpotencialacimadoestipuladoacima,noqualsejacomputadooRendimento GlobaldoSFA.OvalomédiodoRendimento Globaléde89%(0,89)queécalculadomedianteosfatoresdeperdaspossíveisqueenvolvemdesdeaperdaporconversãoeletroquímicanointeriordasbateriasatéumfatoradimensionalquelevaemconsideraçãoapossibilidadedemauuso.EssecoeficientedeperdasadimensionaléensinadonasfaculdadesdeengenhariaeéjocosamentechamadodeFC,sendoqueaquionomeamosdeCoeficiente de perdas por Verificação(KV).CasovocêtenhainteresseemconheceroscoeficientesemetodologiadecálculodorendimentoglobaldeumSFA,entreemcontatocomoseututorepeçaodocumento:Rendimento Global.Porhoraconsideramosovalormédiopadrão:

R = 0,89

AtensãodaparteCCd(correntecontínua)doSFAseráde24 Volts,devidoaoinversorautônomoescolhido,conformeditaanteriormente:

Vi = 24 V

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

N = 3

9.1. Banco de bateriasObancodebateriasserácompostoporbateriasMoura 12MF105,quesãobateriasde12 Vdetensãonominal,etemcapacidadeC20 = 105 Ah.Amelhorprofundidadededescargaparaestemodelo(paraumtempodevidaestimadoem2anos)éde45 %.Com3diasdeautonomiaeprofundidadededescarganofimdaautonomiaem60%,temosemtornode20%deprofundidadededescargadiária,eaprojeçãodemaisde1800ciclosdecargaedescarga.

Nossistemasfotovoltaicosautônomosasbateriastrabalhamcomciclagemdiária,ouseja,sãodescarregadasedescarregadasdiariamente.Énecessárioconsideraraprobabilidadedasbateriasnão“fecharemociclo”nodiaseguinte,econtinuaremsedescarregandoemumaprofundidademaior.Observandonográficodofabricantepodemos,então,estimaravidaútildabateria,combasenaprofundidadededescarga:

Figura 1 - Gráfico da vida útil pela profundidade de descarga das Baterias Moura

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


Seguindocomoscálculos,usaremosasseguintescaracterísticasparaestemodelodebateria:

Vb = 12 V

Cn = 105 Ah

Pd = 0,6

Estascaracterísticasvariamentrefabricantesemodelos,devidoàstecnologiasqueestesutilizamemseusdispositivos.Osmanuaisecatálogostécnicostrazemestascaracterísticas.

Aplicação do Método de Cálculo:

Játemosdadossuficientesparacalcularascaracterísticasdeumbancodebateriasparasuprirasnecessidadesdaresidênciaensaiada:

ED = 897 Wh/Dia

N = 3

Vi = 24 V

R = 0,89

VB = 12 V

CN = 105 Ah

Pd = 0,60

VamoscalcularaEnergiaRealaserfornecidapelainstalação,queéaEnergiaDiáriasomadasasperdas:

= 1.008 ER = 1.008 Wh/Dia

SabendoaEnergiaReal,podemoscalcularaCapacidadeÚtildobancodebateriaspara3diasdeautonomia:

CU = CU = = 126 CU = 126 Ah

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

Vamosaoscálculos:

CR = CR = = 210 CR = 210 Ah

PortantoobancodebateriasdeveráteraCapacidade Real de 210 Ahparaproverapotênciade1.008 Wh/Dia por 3 dias.Devidoaperdasemtodaainstalação,devemosfornecerumpoucomaisàscargas,quedemandam897 Wh/Dia.

Calcularemosaquantidade,eomodoassociaçãodasbateriasMoura 10MF105paramontarmosessebancodebaterias.


Primeiroonúmerodebateriasemparalelo:

BP= BP= =2BP=2

Teremos,portanto3bateriasemparalelo.

Vejamosaquantidadedebateriasemsérie:

BS= BS= =2BS=2

Usaremos,então2bateriasemsérie.

Jásabemosentãoonúmerototaldebaterias:

NB=BS*BPNB=2*2=4NB=4Nossobancodebateriasseráconstituídopor4bateriasMoura 12MF105,queserãoassociadasdaseguinteforma:

1–2bateriasemsérie,totalizando24V

2–2conjuntosiguaisaosanteriorescompletandoacapacidadedecarganecessária.


Dicas Importantes:

Osfabricantesdãocertasrecomendaçõesemrelaçãoaosbancosdebaterias,tantoparamaiorsegurançadossistemas,quantoparamaiorvidaútildasbaterias:

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

2–Ternomínimo2ramos/blocosemparalelo,paramaiorsegurança,nocasodeumelementoemsérieapresentarfalhas;

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


9.2. Painel Fotovoltaico

9.2.1. Influência do Controlador de Carga

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

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

ControladoressemMPPT desperdiçampartedaenergiasolarnasprimeiraseúltimashorasdodia,bemcomoemperíodosdebaixainsolação.ComoNÃOseadaptamàscondiçõesdeirradiânciaetemperatura(comofazemosMPPT’s)asirradiânciaabaixodoumbralnãosãosuficientesparaativarseuscircuitos(nocasodoscontroladoresmaissofisticados)ouvencerabarreiraimpostapelosdiodosinternodeproteção,fazendocomqueaenergiaconvertidapelosmódulosnãosejaaplicadaàsbaterias.Alémdisso,aformadeatuaçãodosinversoresmenossofisticados,quenãosuagrandemaioriaédotiposérie,provocaumgrandeperdaemrelaçãoàpotênciapicodopainelfotovoltaico.

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

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

Nesteexercício,consideramosumcontroladordecargaSEMSeguidordoPontodeMáximaPotência(MPPT),porissoteremos:

9.2.2. Influência da Disponibilidade Solar no Local

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

OCRESESBdisponibilizaumaferramentadeconsultaaosdadoschamadodeSundata,disponívelatravésdoseguintelink:

http://bit.ly/qDhZhr


ParaconsultarosdadosénecessárioinformaralatitudeelongitudedolocaldeinstalaçãodoSFA.EssainformaçãopodeseradquiridafacilmenteatravésdoGoogle®Maps®:

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

LancealatitudeelongitudenoSundataparaaconsulta,queretornaráumatabelacomosvaloresdeRadiaçãoSolaremmédiamensal.


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

Asujeirasobreosmódulosfotovoltaicosétãorepresentativanageração,queutilizamosumcoeficienteparaavaliarasuaaçãosobreageração.Emlocaisdealtapoluiçãoatmosféricasubtraímosumpercentualde5%daRadiaçãoSolardiária;emlocaisafastadosdoscentrosurbanospodemosconsiderarumganhode5%devidoàmenorabsorçãodosraiossolarespelaspartículassuspensas.Podeserutilizadoofato1paraoscasosdedesconhecimentosobreosníveisdesujeira/poluiçãodoar.

NacidadedeSãoPaulo,ocoeficientedecorreçãoserádec = 0,95eopotencialenergéticocorrigido(Hc)seráde2,94*0,95,ouseja:

Hc = 2,94*0,95 = 2,79 kWh/m².dia

Geralmenteamelhorinclinaçãoparaumpainelfotovoltaicoédadapelaseguintefórmula:

β=lat+(lat/4)

β=Inclinaçãodopainelfotovoltaicoemgraus,emrelaçãoaoplanohorizontal.

lat=latitudedalocalidadeemgraus

Essafórmuladáumvaloraproximado.ObancodedadosSundatadoCRESESBsugereamelhorinclinaçãoparaopainelfotovoltaicoque,seconsideradanoprojeto,produzótimosresultados.

ComoacidadedeSãoPauloestásituadanalatitudede23,32°amelhorinclinaçãoparaumpainelfotovoltaicodesistemaautônomoé:

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

9.2.3. Influência da Inclinação do Painel Fotovoltaico

O conjunto de tabelas “Fator de Correção k para superfícies inclinadas”, disponível para download no endereço http://www.blue-sol.com/downloads/HSP-e-FatorK.xls, mostra a diferença entre a energia captada por uma superfície orientada para o equador e inclinada em determinado ângulo, e a energia captada por uma superfície semelhante sem inclinação em relação ao plano horizontal. Na planilha temos os fatores k para a latitude de 23° (23,32° se aproxima mais de 23°.). Se tomarmos como base a inclinação de 30° (arredondamos para cima a inclinação ideal de 29,15° em São Paulo) observaremos no mês de Junho o fator k de 1,22. De acordo à inclinação, teremos uma diferença anual (mês a mês) entre a energia no plano horizontal (Sundada — CRESESB) e a superfície inclinada.


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

K = 1,22 (nomêscommenorirradiação–Junho).

ComessesvaloresteremoscomoresultadoasHorasdeSolPico,quesãooequivalenteemQuilowattshoraincidemsobreummetroquadradodesuperfícieorientadaparaoequadoreinclinada,naregião:

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

9.2.4. Calculando o número de Módulos Fotovoltaicos

ParaconstruiropainelfotovoltaicodesteexemploutilizaremososmódulosfotovoltaicosSTP050D-12/MEAdaSuntech.Essesmódulostemasseguintescaracterísticas:

Potência Pico (Wp): 50w

Tensão Nominal de trabalho (Vm): 12 v

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

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

Tensão em Circuito Aberto (Voc): 21,8 V

Corrente de Curto Circuito (Isc): 3,13 A

Aplicandoométododecálculo,poderemossaberquantosmódulos,equalaconfiguraçãoserãoadequadosao


painelsolardonossosistema:

Paraalcançaratensãodetrabalhodonossosistema,associaremosmódulosemsérie.MódulosemsérierecebemonomedeFileiras.Cadafileirateráaseguintequantidadedemódulosemsérie:

mS= è mS= Cada fileiraseráformadapor2módulosemsérie.

Calcularemosaquantidadedefileirasemparaleloparasupriracorrentenecessáriaàcargadasbateriasqueprovémenergiaelétricaaonossosistema:

mP= è mP= è

...portantoopainelterá5fileirasemparalelo.

OnúmerototaldemódulosNmserá:

Nm = mS*mP è 2 * 5 = 10

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

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

9.2.5. Escolha do Controlador de Carga

Ocontroladordecargaéoresponsávelporusaressaenergiaexcedenteparaastarefasdemanutençãodobancodebateriascomo,porexemplo,ascargas de equalização.Umcontroladordemáqualidadesimplesmentedesperdiçará aenergiaexcedente.

Ocontroladordecargadeveráserdimensionadocomumfatordesegurançade25%dacorrentedecurto-circuitodopainelfotovoltaico.Opainelquedimensionamostemaseguintecorrentedecurto-circuito:

ISCpainel = mp * ISCmodulo è ISCpainel = 5 * 3,13 = 15,65 A

Considerandoofatordesegurança,teremos:


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

Podemosescolherumcontroladordecargade20 A.

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


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introducao blue solar

Science