Fundamentos de Engenharia Solar Energia Fotovoltaica parte 2 José R. Simões-Moreira Racine T. A. Prado

Transcrição

1 Energia Fotovoltaica parte 2 José R. Simões-Moreira Racine T. A. Prado

2 Baterias estacionárias solenerg

3 Número de ciclos de baterias em função da profundidade de descarga Johnson Controls

4 Número de ciclos de baterias em função da profundidade de descarga Auto descarga x Tempo de armazenamento Moura

5 Baterias estacionárias Moura

6 Controlador de Carga Um controlador de carga limita a taxa de entrada e saída de corrente de uma bateria. Evita sobrecargas e sobretensões e pode evitar também descargas rápidas e gerenciar controle de descargas. Pode ter bastante eletrônica embarcada (MPPT: Maximum Power Point Tracker) e mesmo supervisionar temperatura para evitar sobreaquecimento. Morningstar SunSaver SS V Charge Controller Apollo T80 MPPT Charge Controller

7 Conversor ou inversor CC-CA modalidades: Inversores unitários: para atender a potência total instalada. Módulos CA: microinversor individual incorporado a cada módulo, que utiliza fiação em corrente alternada e tensão residencial/ comercial, podendo ser ligado diretamente à tomada.

8 Desempenho de Inversores Parâmetros: Potência de saída; Capacidade de surto; Eficiência; Distorção harmônica. Messenger; Ventre

9 Formas de onda dos inversores retangular senóide quadrada Distorção Resultado

10 Parâmetros de Inversores Parâmetro Onda quadrada Senóide modificada PWM Senóide Potência de saída (W) Capacidade de surto (múltiplo da saída) Eficiência típica Distorção harmônica Até Até Até Até Até 20x Até 4x Até 2,5x Até 4x 70-98% >90% >90% >90% Até 40% >5% <5% <5% Messenger; Ventre

11 Desempenho do Inversor Curva de eficiência Zilles et al.

12 Desempenho de Inversor em SFCR em diferentes condições de operação Seguimento do Ponto de Máxima Potência (SPMP) Zilles et al.

13 Limitação da potência do Inversor quando a potência do gerador fotovoltaico excede o seu limite de entrada Zilles et al.

14 Seleção de Inversor - parâmetros Níveis de tensão e corrente Eficiência de conversão Flexibilidade de instalação Durabilidade Segurança.

15 Seleção de Inversor exemplos: a tensão de circuito aberto (Voc) do gerador não pode ficar acima da faixa de tensão de entrada do inversor. a tensão de máxima potência (Vmp) do gerador não pode ficar abaixo da faixa de tensão de entrada específica do inversor em temperaturas mais elevadas. Voc Vmp Ve

16 Inversores para sistemas isolados Conexão elétrica dos módulos: tensões nominais dos módulos 12 a 100 V; a combinação série x paralelo fornecerá a tensão desejada na entrada do inversor. windpower

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18 Inversores para rede Um inversor controla os valores de tensão e corrente que são recebidos em corrente contínua dos painéis solares (ou de outras fontes CC) e os transforma em CA. SMA Solar Technology AG

19 Inversor para rede A principal diferença entre um inversor simples e um inversor para rede é que este último assegura que a potência solar seja suprida em fase com a potência da rede. Havendo excesso de potência solar, esta pode ser compensada junto à concessionária. SMA Solar Technology AG

20 Desempenho do Inversor Curva de eficiência SMA Solar Technology AG

21 Inversor A Sockets for optional communication Piggy-Back (RS485 or wireless) B Display C Status LEDs D Output AC Line Terminals (N, L1 and L2) E Ground Terminal (PE) F PV Grounding + DC Grounding electrode conductor G Output AC Line Terminals (L1, L2, N and PE) H PV GROUNDED Terminal (input from PV array) I PV UNGROUNDED Terminal (input from PV array) J Combined UNGROUNDED Terminal K DC Terminal (input from PV array) L DC+ Terminal (input from PV array) M Flat connection for grounding the cable shield for communication N Terminal for optional communication (RS485) SMA Solar Technology AG

22 Especificação de inversor WEG

23 Grau de Proteção

24 SFCR residencial SMA Solar Technology AG

25 Conexão à rede Resolução Normativa Nº 482, DE 17 DE ABRIL DE 2012 Estabelece as condições gerais para o acesso de microgeração e minigeração distribuída aos sistemas de distribuição de energia elétrica, o sistema de compensação de energia elétrica, e dá outras providências.

26 III - sistema de compensação de energia elétrica: a energia ativa gerada por unidade consumidora... compense...o consumo de energia elétrica ativa. Fundamentos de Engenharia Solar Conexão à rede Resolução Nº 482, DE 17 DE ABRIL DE 2012 Definições: I - microgeração distribuída:...potência instalada menor ou igual a 100 kw...fontes com base em energia hidráulica, solar, eólica, biomassa ou cogeração qualificada; II - minigeração distribuída:... superior a 100 kw e menor ou igual a 1 MW...;

27 Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional PRODIST Módulo 3 Acesso ao Sistema de Distribuição

28 Requisitos do inversor para SFCR em tensões mais elevadas Tensão e frequência; Proteção contra anti-ilhamento; THD: Distorção Harmônica Total; Fator de potência; Sobre e subtensão tempo máximo de desligamento;

29 Requisitos do inversor para SFCR em tensões mais elevadas cont... Sobretensão em regime permanente; Sobre e subfrequência tempo máximo de desligamento; Reconexão tempo para reconectar após desconexão; Proteção contra corrente diferencial residual;...

30 Balance of System (BOS) Messenger; Ventre

31 Aterramento: estrutura dos painéis; componentes metálicos; circuitos do arranjo fotovoltaico.

32 Segurança do sistema: prevenção contra incêndio; dimensionamento dos fios e cabos; segurança estrutural (contra ventos). Nota: um módulo não pode ser desligado enquanto estiver iluminado, havendo tensão em seus terminais.

33 Custos do sistema (%) Sick & Erge, apud Rüther

34 Estimativa de produção de energia onde: E g : energia produzida pelo gerador fotovoltaico (kwh); P: potência nominal do gerador fotovoltaico (kw); HSP: número de horas de sol pleno em média diária a intensidade de 1000 W/m 2 ); CC/CA : rendimento do conversor de corrente contínua para corrente alternada ( CC/CA = 0,85). Lisita

35 Orientação em relação ao Norte geográfico e inclinação dos módulos Zilles et al.

36 Dimensionamento de gerador fotovoltaico Consumo diário de energia e Carga de Projeto (E d ) E d = P i t i onde: E d : consumo diário de energia fotovoltaica (kwh/dia); P i : potência nominal do equipamento i (kw); t i : tempo de utilização diária (h/dia).

37 Dimensionamento de gerador fotovoltaico Corrente diária (I d ) onde: I d = E d ecp x V tns I d : corrente diária (Ah/dia) E d : consumo diário de energia renovável (kwh/dia); ecp : eficiência de conversão de potência; V tns : tensão nominal do sistema (24 V, p, ex.).

38 Dimensionamento de gerador fotovoltaico Radiação solar incidente e inclinação do arranjo É definida pelo número médio diário de horas de sol pleno (HSP) no mês escolhido para o projeto e no local de instalação, com radiação de 1 kw/m 2.

39 Dimensionamento de gerador fotovoltaico Corrente de pico drenada pelas cargas (I p ) onde: I p = I d HPS I p : corrente de pico drenada pelas cargas (A); I d : corrente diária (Ah/dia) HSP: Horas de Sol Pleno por dia (h/dia).

40 Dimensionamento de gerador fotovoltaico Corrente corrigida (I c ) onde: I c = I d c x b I c : corrente corrigida (Ah/dia); I d : corrente diária ((Ah/dia); c : eficiência dos condutores; b : eficiência das baterias.

41 Dimensionamento de gerador fotovoltaico Corrente de projeto (I ps ) É a corrente mais elevada, considerando o mês de projeto e a inclinação do arranjo.

42 Dimensionamento de gerador fotovoltaico Capacidade das baterias (C r ) C r = onde: I d x N d DOD max x T C r : capacidade das baterias (Ah/dia); I d : corrente diária (Ah/dia); N d : número de dias de autonomia; DOD max : máxima profundidade de descarga; T : fator de correção devido à temperatura.

43 Dimensionamento de gerador fotovoltaico Número de baterias em paralelo (N bp ) onde: N bp = C r C b N bp : número de baterias em paralelo; C r : capacidade das baterias (Ah/dia); C b : capacidade da bateria selecionada (Ah).

44 Dimensionamento de gerador fotovoltaico Número de baterias em série (N bs ) onde: N bs = V tns V tnb N bs : número de baterias em série; V tns : tensão nominal do sistema (V); V tnb : tensão nominal da bateria (V).

45 Dimensionamento de gerador fotovoltaico Número total de baterias (N tb ) N t = N bp x N bs onde: N t : número total de baterias; N bp : número de baterias em paralelo; N bs : número de baterias em série.

46 Dimensionamento de gerador fotovoltaico Corrente de projeto após decaimento (I pd ) onde: I pd = I ps m I pd : corrente de projeto após decaimento (A); I ps : corrente de projeto selecionada (A); m : fator de decaimento do módulo (usual: 0,9).

47 Dimensionamento de gerador fotovoltaico Número de módulos em paralelo (M p ) onde: M p = I pd I m M p : número de módulos em paralelo; I pd : corrente de projeto selecionada (A); I m : corrente do módulo (Im = 7,63, p. ex.).

48 Dimensionamento de gerador fotovoltaico Número de módulos em série (M s ) onde: M s = V tnb x N bs x 1,2 V tmte M s : número de módulos em série; V tnb : tensão nominal da bateria (V); N bs : número de baterias em série; V tmte : tensão do módulo na temperatura mais elevada (V).

49 Dimensionamento de gerador fotovoltaico Número total de módulos (M t ) M t = M p x M s onde: M t : número total de módulos; M p : número de módulos em paralelo; M s : número de módulos em série.

50 Dimensionamento de gerador fotovoltaico Disposição dos módulos em série e paralelo Conforme o resultado do número de módulos em série e em paralelo, deverá ser montado um arranjo fotovoltaico.

51 Suportes para geradores fotovoltaicos Rastreador de um eixo Rastreador de dois eixos

52 Áreas e potência para geração hidrelétrica e fotovoltaica Três Gargantas, Itaipu e Belo Monte Hidrelétrica Período de construção Área alagada (km 2 ) Potência instalada (MW) Energia efetiva (MW médios) Três Gargantas Itaipu Belo Monte FSP 20/11/2011

53 Potencial de energia fotovoltaica no Brasil Itaipu: área do lago = km 2 ; Potência instalada = 14,0 GW; Produção anual = 80 TWh; Participação no total = 25 %. Cobrindo o lago com painéis de filme fino: Potência instalada = 94,5 GWp; Produção anual = 160 TWh. Rüther

54 Hidrelétrica de Belo Monte Altamira PA 20/11/2011 com 4 meses de obras 2014 Custo inicial previsto entre 25 e 31 bilhões; potência = MW área alagada = km 2 ;