Sistemas fotovoltaicos A composição dos componentes e tipos utilizados depende do tipo de aplicação. Aplicação autônoma Aplicação conectada á rede
Configuração básica de um sistema fotovoltaico Principais componentes: Unidade Geradora ( Módulos fotovoltaicos) Unidade de controle ou acondicionamento da potência (controlador de carga, inversor, etc) Armazenamento (Banco de baterias, dentre outros) 2
Sistemas isolados CLASSIFICAÇÃO DOS SISTEMAS Sistemas conectados à rede Arquiteturas: Sistemas individuais Sistemas híbridos Minirredes elétricas ( CA, CC, CA-CC) - Centralizada - Distribuída 3
Exemplos de aplicações autônomas Dessanilizador solar Aplicações diversas: Residências, escolas, iluminação pública, fábrica de gelo, minirredes elétricas, Estação retransmissora de sinal, bombeamento de água, etc. 4
Sistema isolado 5
Sistemas híbridos São sistemas constituídos por mais de um tipo de fonte de energia e de elementos armazenadores. Exemplo de sistema híbrido 6
Minirredes elétricas Uma minirrede é um sistema de potência, com fontes de energia distribuídas, que atende à demanda de um ou vários consumidores com a capacidade de operar conectada ou ilhada da rede elétrica convencional. As minirredes podem variar em tamanho, desde uma pequena aplicação residencial, até minirredes de grande porte. Alguns autores limitam o tamanho em até 10 MW de carga total. Arquiteturas de minirrede acopladas em CA. a) Configuração centralizada, b) Configuração distribuída 7
Resolução Aneel 493 : Fornecimento para sistema Isolado 8
Sistema conectado à rede elétrica Sistemas residências/comerciais/industriais ligados à rede Usinas solares conectadas à rede de distribuição/transmissão Minirredes elétricas ligadas à rede da concessionária 9
Sistemas conectados à rede - Sistemas residenciais Medição Única do Balanço de Energia kwh Arranjo Fotovoltaico Unidade de controle e Condicionamento da Potência Painel de serviço carga Rede Medição Dupla kwh kwh Arranjo Fotovoltaico Unidade de controle e Condicionamento da Potência Painel de serviço Carga Rede Medições simultâneas rede Arranjo Fotovoltaico Unidade de controle e Condicionamento da Potência kwh Caixa de junção kwh Painel de serviço 10 carga
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O PRÉDIO DA ADMINISTRAÇÃO DO IEE-USP : 12 kw 13
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Estruturas de suporte com módulos do sistema Fotovoltaico formando cobertura do estacionamento Conectado à rede 150kWp IEE - USP Diagrama unifilar O sistema é composto por 24 inversores de 5kW nominais, trifásicos (220/380V), sem transformador. Cada inversor está associado a uma única série fotovoltaica formada por 24 módulos fotovoltaicos de 260Wp 15
Gerador fotovoltaico instalado no solo e eletrocentro 156kWp Diagrama unifilar IEE-USP O sistema possui um único inversor central de 140kW nominais, trifásico (127V/220V) e sem transformador. Ao inversor estão conectadas 30 séries fotovoltaicas compostas por 20 módulos de 260Wp. 16
Sistema com compensação de reativos - (78kWp) Diagrama unifilar O sistema é composto por 5 inversores de 12,5kW nominais, trifásicos (220/380V) e sem transformador. Cada inversor está conectado a três séries fotovoltaicas compostas por 20 módulos de 260Wp 17
Sistema Fotovoltaico - (156 kwp) O sistema BAPV está localizado na biblioteca Brasiliana Guita e José Mindlin na cidade universitária. Diagrama unifilar Possui 10 inversores de 15kW nominais, trifásicos (220/380V) e sem transformador. Cada inversor está conectado a três séries fotovoltaicas compostas por 20 módulos de 260 Wp 18
Potências na ordem dos MW Central geradora solar fotovoltaica Situação no Brasil- ago/2016 Empreendimentos em operação Quant. 40 Potência total - 22,962 MW Empreendimentos com construção Quant. 3 Potência total - 1,096GW Empreendimentos com construção não iniciada Quant. 107 Potência total 2,87GW 19
Exemplo de uma arquitetura de minirrede radial com múltiplas fontes dispersas instalada em uma Universidade 20
Sistema de armazenamento de energia elétrica O uso de armazenamento é muito comum em sistemas híbridos de pequeno e médio porte, sendo menos frequente em sistemas de grande porte. Geralmente em sistemas de grande porte, o armazenamento é utilizado para diminuir os transitórios de corrente que aparecem com as variações súbitas de carga durante a operação do sistema. Em sistemas de pequeno e médio porte, o sistema de armazenamento é concebido para promover a economia de combustível em aplicações isoladas, pois permite dispensar a utilização dos geradores diesel. Complementa a oferta em momentos de produção de energia renovável insuficiente. 21
Sistema de armazenamento Baterias eletroquímicas QUAL BATERIA UTILIZAR em um SFV? NÃO-RECARREGÁVEIS ( primárias) uso em aparelhos portáteis REGARREGÁVEIS ( secundárias) Acumuladores. Ex: Em sistemas fotovoltaicos ABERTA OU SELADA CICLO RASO OU CICLO PROFUNDO QUAL TIPO? TIPOS: CHUMBO-ÁCIDO sistema fotovoltaico NÍQUEL-CÁDMIO sistema fotovoltaico NÍQUEL-FERRO SÓDIO-ENXOFRE NÍQUEL-HIDROGÊNIO LITIO 22
Principais parâmetros de avaliação de uma bateria: Capacidade: (Ah); (Wh) Capacidade Embora a capacidade de uma bateria seja normalmente definida como a quantidade de Ah que pode ser retirado da mesma quando esta apresenta plena carga, pode-se também, expressar capacidade em termos de Watt-hora ou kwwatt-hora. Teoricamente, uma bateria de 200Ah deve ser capaz de fornecer corrente de: - 200 A durante 1 hora - 50 A por quatro horas - 4 A por 50 horas - Ou ainda 1 A por 200 horas Fatores que influenciam na capacidade de carga: Velocidade de carga e descarga Temperatura de operação 23
Ciclo sequência de carga e descarga da bateria até uma determinada profundidade de descarga Eficiência - Relação entre a saída útil e a entrada Vida útil número de ciclos; ou período de temp0 Taxa de auto-descarga; Custo Outros parâmetros Fatores que contribuem para o aumento da vida útil de uma bateria: Manutenção do estado de carga, controle de temperatura controle de sobrecarga e sobredescarga manutenção periódica 24
Profundidade de descarga (PD) indica em termos % quanto da capacidade nominal da bateria foi retirada a partir do estado pleno de carga. Oposto de PD Estado da carga. Capacidade disponível da bateria Expressa como % da capacidade nominal Sobrecarga É quando continua-se forçando corrente em uma bateria após a mesma ter atingido plena carga Taxa de carga/descarga = valor de corrente aplicado/retirado de uma bateria durante o processo de carga/descarga Taxa de carga = capacidade nominal / intervalo de carga EX: 500 Ah/10 horas = 50 Amps = taxa C/10 25
Baterias recarregáveis Automotivas projetadas para descargas rápidas com elevadas taxas de corrente e com reduzidas profundidades de descarga. Operação típica na partida de motores de automoveis Tração indicadas para alimentar equipamentos móveis elétricos como empilhadeiras, e são projetadas para operar em regime de ciclos diários profundos com taxa de descarga moderada. Estacionárias- baterias direcionadas tipicamente para aplicações em que permanecem em flutuação e são solicitadas ocasionalmente para ciclos de carga/descarga, Esta condição é típica de sistema de back-up. No-breaks Fotovoltaicas São projetadas para ciclos diários rasos com taxa de descarga reduzidas e devem suportar descargas profundas esporádicas devido a possível ausência de geração (dias nublados) 26
São componentes críticos em SFs isolados, pois, caso venham a falhar, a bateria ou a carga poderá sofrer danos irreversíveis. São projetados considerando-se as especificidades dos diversos tipos de baterias 27
Funções específicas: CONTROLADOR DE CARGA Desconectar o arranjo fotovoltaico quando a bateria atinge carga plena Interromper o fornecimento de energia quando o estado da carga da bateria atinge um nível mínimo de segurança Monitorar o desempenho do sistema fotovoltaico (corrente e tensão de carregamento da bateria) acionam alarmes quando ocorre algum problema compensam o efeito da variação da temperatura na bateria TIPOS DE CONTROLADORES DE CARGA Quanto a grandeza utilizada para controle (corrente, tensão, densidade do eletrólito) forma como o controlador utiliza para desconectar o painel fotovoltaico da bateria : shunt ou série 28
Perfil típico de tensão durante o processo de carga/descarga Processo de carga Processo de descarga Taxa de carga/descarga = valor de corrente aplicado/retirado de uma bateria durante o processo de carga/descarga Taxa de carga = capacidade nominal / intervalo de carga EX: 500 Ah/10 horas = 50 Amps = taxa C/10 29
TIPOS DE CONTROLADORES DE CARGA Regulador shunt Regulador série 30
ESPECIFICAÇÃO DO CONTROLADOR Os parâmetros para especificação dos controladores de carga são obtidos da: Demanda de energia e Curvas características das baterias, como as de carga e descarga e a de vida útil (em ciclos) desejada. O mínimo necessário para se especificar o controlador: Os valores de corrente máxima, que deve ser maior do que a máxima corrente de curto-circuito esperada para o arranjo fotovoltaico, Tensão de operação do sistema ; Controlador de carga solar de grande porte fabricado pela Morningstar Outras características desejáveis mais nem sempre disponíveis nos modelos Set points ajustáveis Proteção contra corrente reversa Desconexão da carga (proteção contra descargas excessivas) Compensação térmica Alarmes e indicações visuais Desvio de energia do arranjo Seguidor do ponto de máxima potência Baixo consumo próprio Proteção contra inversão de polaridade 31
INVERSORES ou CONVERSOR CC-CA TIPOS: CONVERSOR ESTÁTICO (ESTADO SÓLIDO) CONVERSOR ROTATIVO Tipo Vantagens Desvantagens Inversor auto-comutado - Podem operar conectados a rede elétrica ou alimentando cargas isoladas Projeto do equipamento mais complexo - Tem melhor fator de potência - Produz menor quantidade de harmônicos Inversor comutado pela rede - Projeto mais simples - Depende da existência de tensão na rede - Requer correção do fator de potência e dos harmônicos 32
ESPECIFICAÇÃO DOS INVERSORES TENSÃO DE ENTRADA CC (12,24,48,120Vcc) E SAÍDA CA (120,240VCA) EXIGÊNCIA DA CARGA POTÊNCIA VARIAÇÃO DE TENSÃO FREQUÊNCIA FORMA DE ONDA Dimensionamento: Potência elétrica em operação normal Potência de pico 33
ENTRE 50 A 90% EFICIÊNCIA DE CONVERSÃO EFICIÊNCIA TÍPICA DE INVERSORES 34
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FUNÇÃO: CONVERSORES CC- CC Controlar de forma mais precisa a corrente e a tensão que são aplicados às baterias, proporcionando assim um aumento da vida útil da bateria e maior eficiência no processo de transferência de energia Pode ter incorporado um seguidor do ponto de máxima potência Obter tensões na saída diferente da de entrada P Watts Pmax2 Pmax1 Alta temperatura Baixa temperatura Tensão 36