Dimensionamento de um sistema fotovoltaico. Fontes alternativas de energia - dimensionamento de um sistema fotovoltaico 1

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1 Dimensionamento de um sistema fotovoltaico Fontes alternativas de energia - dimensionamento de um sistema fotovoltaico 1

2 Sistemas fotovoltaicos Geralmente são utilizado em zonas afastadas da rede de distribuição elétrica, podendo trabalha de forma independente ou combinada com sistemas de produção elétrica convencional. Suas principais aplicações são: Eletrificação rural: luz, TV, rádio, comunicações, bombeamento de água Iluminação exterior Náutica Fontes alternativas de energia - dimensionamento de um sistema fotovoltaico 2

3 Sistemas fotovoltaicos Componentes de um sistema típico Fontes alternativas de energia - dimensionamento de um sistema fotovoltaico 3

4 Sistemas fotovoltaicos Componentes de um sistema típico Painéis ou módulos de células fotovoltaicas Suportes para os Painéis Controlador de carga de baterias Banco de baterias Inversor de corrente Fontes alternativas de energia - dimensionamento de um sistema fotovoltaico 4

5 Células fotovoltaicas Estrutura de uma célula fotovoltaica Fontes alternativas de energia - dimensionamento de um sistema fotovoltaico 5

6 Células fotovoltaicas Existem basicamente três tipos de células, conforme o método de fabricação: Silício monocristalino: Estas células obtêm-se a partir de barras cilíndricas de silício monocristalino produzidas em fornos especiais. As células são obtidas por corte das barras em forma de pastilhas finas (0,4-0,5 mm de espessura). A eficiência na conversão de luz solar em eletricidade é superior a 12%. Silício policristalino: Estas células são produzidas a partir de blocos de silício obtidos por fusão de silício puro em moldes especiais. Uma vez nos moldes, o silício arrefece lentamente e solidifica-se. Neste processo, os átomos não se organizam num único cristal. Forma-se uma estrutura policristalina com superfícies de separação entre os cristais. Sua eficiência na conversão de luz solar em eletricidade é ligeiramente menor do que nas de silício monocristalino. Filme Fino ou Silício amorfo: Estas células são obtidas por meio da deposição de camadas muito finas de silício ou outros materiais semicondutores sobre superfícies de vidro ou metal. Sua eficiência na conversão de luz solar em eletricidade varia entre 5% e 7%. Fontes alternativas de energia - dimensionamento de um sistema fotovoltaico 6

7 Módulo fotovoltaico Um módulo fotovoltaico é composto por várias células individuais conectadas em série, de modo a obter uma tensão que é a soma das tensões de cada célula (e torno de 0,5 V) Os módulos comerciais são formados por 30, 32, 33 e 36 células em série de acordo com a aplicação Rigidez estrutural, isolamento elétrico e resistência aos fatores climáticos são parâmetros importantes de projeto dos módulos O conjunto de células é normalmente encapsulado em um plástico elástico (Etilvinilacetato-EVA) que também atua como isolante elétrico A moldura é feita de alumínio ou poliuretano e a face exposta ao sol é utilizado vidro ou material plástico transparente. Fontes alternativas de energia - dimensionamento de um sistema fotovoltaico 7

8 Módulo fotovoltaico Fontes alternativas de energia - dimensionamento de um sistema fotovoltaico 8

9 Curvas características das células fotovoltaicas Corrente x tensão Corrente (A) ICC IMP PMP Tensão (V) ICC: corrente de curto-circuito VCA: tensão de circuito aberto PMP: potência de pico VMP VCA IMP e VMP: corrente e tensão máxima na potência máxima Fontes alternativas de energia - dimensionamento de um sistema fotovoltaico 9

10 Curvas características das células fotovoltaicas Efeito da radiação solar Corrente (A) A corrente diminui a medida que diminui o nível de radiação solar A tensão praticamente não sofre variação Tensão (V) A corrente disponível na célula varia de forma proporcional à intensidade de radiação. A tensão mantém-se praticamente constante Fontes alternativas de energia - dimensionamento de um sistema fotovoltaico 10

11 Curvas características das células fotovoltaicas Efeito da temperatura Corrente (A) Altas temperaturas implicam em uma diminuição da tensão Tensão (V) O aumento da temperatura do módulo fotovoltaico provoca uma redução da tensão de forma praticamente proporcional, além de um pequeno aumento da corrente. Fontes alternativas de energia - dimensionamento de um sistema fotovoltaico 11

12 Curvas características das células fotovoltaicas Potência em função da hora do dia Potência (W) A área sob a curva equivale a energia gerada pelo painel solar em um dia em W.h Hora do dia(h) A célula não fornece um valor constante de potência pois esta depende da radiação solar. Em termos de projeto, é necessário trabalhar com a energia fornecida em um dia (W.h/dia) Fontes alternativas de energia - dimensionamento de um sistema fotovoltaico 12

13 Baterias As baterias tem duas funções básicas no sistema de energia fotovoltaico: Acumular energia para os períodos de pouca ou nenhuma radiação solar Fornecer correntes mais elevadas à carga que a corrente máxima produzida pelos módulos fotovoltaicos Cargas como motores podem exigir correntes elevadas em períodos curtos de tempo, na partida, por exemplo. Dessa maneira, as células solares e o conjunto de baterias trabalham em conjunto para fornecer energia à carga de forma mais constante ou também mais intensa do que a que poderia ser gerada exclusivamente pelo painel fotovoltaico Fontes alternativas de energia - dimensionamento de um sistema fotovoltaico 13

14 Baterias As baterias mais utilizadas em sistemas de energia fotovoltaica são as de chumbo-ácido Uma bateria é definida basicamente pela quantidade de energia (em Ah na tensão nominal) que é capaz de armazenar Essa energia depende da velocidade de descarga. A capacidade nominal é expressa para uma descarga de 20 horas Exemplo Uma bateria de 60 Ah/12 V pode fornecer 60 Ah/12 h = 5,0 A por 12 horas consecutivas com uma tensão de 12 V em seus terminais Isso equivale a uma potência de 12 V x 5 A = 60 W por 12 horas Ou seja, essa bateria seria capaz de alimentar uma lâmpada incandescente de 60 W por 12 horas Se o tempo de descarga for maior a bateria fornecerá mais energia: Uma bateria de 55 Ah com descarga em 20 horas pode atingir, por exemplo, 80 Ah com descarga em 100 h. Fontes alternativas de energia - dimensionamento de um sistema fotovoltaico 14

15 Baterias Outro parâmetro importante de uma bateria é o números de ciclos de carga/descarga em sua vida útil Valores típicos são ciclos com profundidade de descarga de 20% e 1200 ciclos de vida com profundidade de 50% Fontes alternativas de energia - dimensionamento de um sistema fotovoltaico 15

16 Dimensionamento Dados necessários para dimensionar o sistema Tensão típica das cargas e seu tipo (AC ou DC) Potência exigida pela carga Perfil da carga / horas de utilização Localização geográfica do sistema Autonomia prevista Fontes alternativas de energia - dimensionamento de um sistema fotovoltaico 16

17 Dimensionamento Esquema para o dimensionamento Especificação do painel solar Levantamento das cargas CC X Perfil = Wh/dia + Levantamento das cargas CA X Perfil = Wh/dia Especificação do inversor Wh/dia total X Autonomia (dias) = Capacidade das baterias Fontes alternativas de energia - dimensionamento de um sistema fotovoltaico 17

18 Dimensionamento Exemplo de Tabela de consumo Fontes alternativas de energia - dimensionamento de um sistema fotovoltaico 18

19 Dimensionamento Banco de baterias / cálculo pela autonomia Capacidade bancode bat = Consumototal Ah/dia Autonomia dias Profundidade de descarga no final da autonomia O consumo total diário é de 20 Ah (ver tabela) e considerando a profundidade de descarga igual a 0,6 e 3 dias de autonomia: Capacidade bancode bat = 20 3 =100 Ah 0,6 Fontes alternativas de energia - dimensionamento de um sistema fotovoltaico 19

20 Dimensionamento Banco de baterias / cálculo pelo consumo diário Capacidade bancode bat = Consumototal Ah/ dia Profundidade de descarga no final de cada noite O consumo total diário é de 20 Ah (ver tabela) e considerando a profundidade de descarga igual a 0,15 Capacidade bancode bat = 20 =133,33 Ah 0,15 Escolhe-se portanto 134 Ah, o maior valor encontrado Fontes alternativas de energia - dimensionamento de um sistema fotovoltaico 20

21 Dimensionamento Gerador fotovoltaico Potencia mínima gerador fotov = Consumo total Ah/dia VMP modulo horasequivalentes de sol pleno fator de segurança VMP é a tensão de máxima potência (tipicamente de 17,4 V em sistemas com baterias de 12 V) Considerar o nível médio do mês mais crítico com 3,5 a 4 horas de sol pleno para o sul do Brasil e entre 4 e 5 para o nordeste Como fator de segurança o valor típico é de 0,8 Potencia mínima gerador fotov = 20 17,4 =96,66W ou aprox.100w 4,5 0,8 Escolhe-se portanto 100 W obtido em 2 módulos de 50 W Fontes alternativas de energia - dimensionamento de um sistema fotovoltaico 21

22 Inversor Dimensionamento Potencia inversor =Potencia das cargasca 20% perdas Da tabela, a potência CA é de 50 W Potencia inversor =50 10=60W Fontes alternativas de energia - dimensionamento de um sistema fotovoltaico 22

23 Atividade Dimensionamento Dimensione os elementos de um sistema fotovoltaico para as seguintes cargas: - 3 lâmpadas de 9 W, 12 V CC, com 6 horas de utilização diária cada uma - 1 TV 120 V, 100 W, com 10 horas de utilização diária - 1 microcomputador 120 V, 150 W, com 4 horas de utilização diária Fontes alternativas de energia - dimensionamento de um sistema fotovoltaico 23