O que você vai encontrar no manual 1. Conceitos Fundamentais 2. Como identificar o recurso solar local 3. Como fazer o levantamento do consumo 4. Como escolher o módulo fotovoltaico 5. Produção de energia 6. Cálculo do número de módulos 7. Componentes do sistema fotovoltaico 8. Exemplo de dimensionamento A Escola da Energia foi criada para ajudar engenheiros, técnicos, estudantes e outros interessados em energias renováveis a entender os princípios de funcionamento das tecnologias de aproveitamento da energia solar e eólica, tanto para geração de eletricidade quanto para aquecimento de água. Para que eles possam aproveitar as oportunidades de negócios e desenvolver suas carreiras na área de energia renováveis. Sem que percam tempo e dinheiro buscando diversas fontes de informações. Espero que esse guia possa ser útil para você. Não deixe de visitar o site http://www.escoladaenergia.com Um grande abraço, Daniel Coelho Autor 2
1 Conceitos Fundamentais O dimensionamento do sistema fotovoltaico é uma das etapas mais importantes de um projeto de instalação fotovoltaica. A partir do dimensionamento dos componentes do sistema é possível iniciar a análise de viabilidade técnica e econômica do uso do sistema fotovoltaico. Partindo do princípio que existem leitores iniciantes e avançados em relação a tecnologia fotovoltaica, começaremos no nível mais básico a fim de atender as necessidades da maioria dos leitores. elétricas são necessários outros componentes. Para cada tipo de aplicação há componentes diferentes. As duas principais aplicações dos sistemas fotovoltaicos são: Sistema fotovoltaico isolado da rede elétrica. Sistema fotovoltaico conectado a rede elétrica. Um sistema fotovoltaico tem como principal componente os módulos fotovoltaicos, responsáveis pela transformação da energia solar em eletricidade. Os módulos fotovoltaicos, porém, não trabalham sozinho. Para alimentar as cargas 3
2 Como Identificar o Recurso Solar no Local existentes. A figura abaixo mostra o mapa de radiação solar no Brasil. A disponibilidade do recurso solar no local é o ponto mais importante para o projeto de um sistema fotovoltaico. Não adianta ter o módulo mais eficiente e instalação mais perfeita se não há radiação solar suficiente no local. Medir a radiação solar existente em um local não é uma tarefa simples. São necessários medidores específicos, como por exemplo, o piranômetro para medir a radiação solar global e o pireliômetro para medir a radiação solar direta. Além disso, a medição deve ser feita por um período de pelo menos um ano para identificar a sazonalidade existente. Para um dimensionamento preliminar do sistema não é necessário realizar todas essas medidas. Uma forma mais fácil é usar os bancos de dados de radiação solar Fonte: (ENIO BUENO PEREIRA et al., 2006) 4
De acordo com o mapa é possível perceber que a radiação solar média diária no Brasil varia entre 4 e 6 kwh/m 2 /dia. Os valores fornecidos pelo mapa são médias diárias, não sendo possível avaliar a variação da radiação solar ao longo do ano. Uma vez identificada a radiação solar presente no local da instalação fotovoltaica o próximo passo é identificar o consumo de energia elétrica a ser suprido com os módulos fotovoltaicos. Entretanto, para efeito de dimensionamento do sistema os dados são suficientes para uma analise preliminar. Caso seja necessário um acompanhamento mais rigoroso da radiação solar ao longo do ano existem outras ferramentas disponíveis. Uma delas, que é gratuita, é o programa SunData disponível no site do Cresesb (Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito). Você vai precisar apenas das coordenadas geográficas do local, ou seja, longitude e latitude. 5
3 Como Fazer o Levantamento do Consumo de Energia Identificar o consumo de energia elétrica de forma adequada é fundamental para o bom funcionamento do sistema. No caso do sistema isolado da rede essa etapa é ainda mais importante, pois nesse caso se a energia não for suficiente para alimentar as cargas não haverá a rede elétrica para funcionar como fonte de reserva. A identificação do consumo de eletricidade em sistema conectado a rede é mais simples. Bastas analisar as contas de energia elétrica fornecida pela concessionária de energia elétrica local durante o último ano. É importante verificar o consumo durante o ano para identificar os valores máximos, mínimos e a média de consumo de energia elétrica. Com base nos valores de consumo pode-se começar a analisar o consumo que deve ser atendido. Optando-se por atender o consumo mínimo existirão meses do ano que a demanda não será totalmente atendida. Por outro lado, se o sistema for dimensionado para o consumo máximo, existirão meses com excesso de energia. Escolhendo o consumo médio, alguns meses também não terão a demanda totalmente atendida. Considerando que o sistema se beneficiará da resolução da ANEEL para interligação de sistemas de geração distribuída proveniente de fontes renováveis a princípio a escolha do valor de consumo mínimo, máximo ou médio não representa um problema, em termos de funcionamento do sistema. Nos meses com excesso de geração a energia pode ser injetada na rede para ser compensada nos meses em que a geração não for suficiente para atender o consumo. 6
Para efeito de dimensionamento do sistema fotovoltaico será considerado o valor médio de consumo. Uma observação importante. Na prática esse não seria o valor ideal. De acordo com a resolução da ANEEL para interligação de sistemas de geração distribuída proveniente de fontes renováveis, o consumidor deve arcar com o custo de disponibilidade da rede elétrica. Nesse caso o consumidor paga o equivalente ao consumo de 100 kwh/mês no caso de utilizar um sistema trifásico, 50 kwh/mês para sistema bifásico e 30 kwh/mês para sistema monofásico. A situação mais apropriada seria escolher o valor de consumo médio e abater o valor referente ao consumo mínimo que o consumidor tem que pagar consumindo ou não a energia da rede. isolado da rede deve ser mais preciso, pois nesse caso a rede elétrica não está presente para servir de fonte de reserva. O primeiro ponto para identificar o consumo é o correto levantamento da potência de todos os equipamentos que estarão presentes na instalação. A potência dos equipamentos pode ser encontrada nos próprios equipamentos. Em seguida deve ser estimado o tempo de uso de cada equipamento. O consumo de energia é calculado multiplicando-se a potência de cada equipamento pelo seu tempo de uso. Identificar o consumo de energia em sistemas isolado da rede é mais complexo. O dimensionamento do sistema 7
4 Como Escolher o Módulo Fotovoltaico Para o dimensionamento do sistema fotovoltaico as características mais importantes dos módulos fotovoltaicos são suas dimensões físicas e o seu rendimento. As principais tecnologias de células fotovoltaicas disponíveis comercialmente são: silício monocristalino, silício policristalino e filme fino. As células de silício cristalino são dividas em células monocristalinas, policristalinas e Arseneto de Gálio(GaAs). As principais células de filme fino são: silício amorfo, telureto de cádmio (CdTe), sulfureto de cádmio (CdS) e cobre-índio-galio-selênio (CIGS). Além disso, as células de filme fino podem ser de junção simples, dupla ou tripla. Existem também outros tipos de células fotovoltaicas em desenvolvimento. 8
5 Produção de Energia O cálculo da energia produzida pelo módulo fotovoltaico pode ser feito por meio do método da insolação. (Maximum Power Point Tracking Rastreamento do Ponto de Máxima Potência). O método da insolação consiste no uso da seguinte fórmula: E FV = E sol. A. Onde: E FV = Energia produzido pelo módulo fotovoltaico [Wh] E sol = Radiação solar média diária no local [kwh/m 2 /dia] A = Área do módulo fotovoltaico = Rendimento do módulo O método considera que os módulos foram instalados em condições ideias, com uso dos recursos de MPPT 9
6 Cálculo do Número de Módulos Fotovoltaicos A quantidade de módulos fotovoltaicos necessários para atender a carga pode ser calculada dividindo-se a energia que se deseja atender pela energia produzida por cada módulo. N = E consumo / E FV Onde: N = Número de módulos fotovotaicos E consumo = Consumo de energia E FV = Energia produzida pelo módulo fotovoltaico 10
7 Componentes do Sistema Fotovoltaico Equipamentos do Sistema Fotovoltaico Isolado Os outros equipamentos do sistema fotovoltaico, além dos módulos, dependem do tipo de configuração utilizada. Os equipamentos do sistema de proteção, assim como os cabos e as conexões não estão sendo considerados. Esses componentes seguem as regras utilizadas nas instalações elétricas tradicionais encontradas na norma NBR 5410. Módulos Fotovoltaicos Baterias Controlador de Carga Inversor 11
Bateria As baterias tem papel fundamental nos sistemas fotovoltaicos isolados da rede. Elas são responsáveis por armazenar a energia produzida pelos módulos para serem usadas quando o Sol não estiver presente. Os principais tipos de baterias encontrados no mercado são: automotivas, de tração e estacionárias. As baterias automotivas são projetadas para descargas rápidas com alta taxa de corrente e profundidade de descarga reduzida. Geralmente descarregam 20% em uso normal. As baterias de tração operam em regime de ciclos diários profundos e taxa de descarga moderada. Baterias estacionárias permanecem em flutuação, estado de carga próximo a plena carga, e são solicitadas ocasionalmente. Baterias estacionárias de ciclo profundo podem descarregar-se até 50% ou 80%. As baterias utilizadas em sistemas de fontes alternativas são projetadas para ciclos diários rasos com reduzida taxa de descarga, porém devem suportar descargas profundas esporádicas, períodos com escassez de recurso. O dimensionamento do banco de baterias deve considerar: O consumo diário de energia; A autonomia, número de dias que o banco de bateria pode atender o consumo sem que haja produção de energia em dias de pouca insolação; A profundidade do ciclo de descarga da bateria. 12
Controlador de Carga O controlador de carga é utilizado para fazer a conexão entre os módulos fotovoltaicos e a bateria do sistema. A função do controlador de carga é garantir o fluxo de energia entre as fontes de geração e o banco de baterias, evitando a sobrecarga, a descarga excessiva e controlando o carregamento das baterias. Garantindo dessa forma a maior vida útil para as baterias. Para evitar a sobrecarga das baterias o controlador de carga desconecta os módulos fotovoltaicos quando a bateria está totalmente carregada. No caso da proteção contra descarga excessiva o controlador de carga interrompe o fornecimento de energia para a carga quando a bateria atingir o nível de carga mínimo de segurança. respeitar o perfil de carga das baterias (controlador PWM) e fazer com que os módulos fotovoltaicos operem no ponto de máxima potência (controlador MPPT). O dimensionamento do controlador de carga considera a tensão de operação e a corrente elétrica fornecida pelos módulos fotovoltaicos. Deve ser usado um fator de segurança de 30% para garantir que a corrente do controlador de carga não seja excedida. O gerenciamento da carga da bateria depende do uso de controladores mais sofisticados que possuem as funções de 13
Inversor A principal função de um inversor é transformar corrente e tensão elétricas contínua, normalmente fornecidas pelos módulos fotovoltaicos ou bancos de baterias, em corrente e tensão elétrica alternada demandada pela maioria das cargas. De uma forma bem simplificada, o princípio de funcionamento do inversor consiste em um circuito eletrônico com chaves interligadas de forma a permitir ou interromper a passagem da corrente contínua produzindo uma corrente de saída na forma alternada. Principais Tipos de Inversores Inversores de Onda Quadrada Inversores de Onda Senoidal Modificada Inversores de Onda Senoidal Pura Inversores Interativos com a Rede O dimensionamento do inversor deve considerar a potência total dos equipamentos atendidos pelo sistema. Além disso, deve ser respeitada as suas tensões de entrada (contínua) e saída (alternada). 14
Equipamentos do Sistema Fotovoltaico Conectado a Rede Inversor para sistema conectado à rede Nos sistemas fotovoltaicos conectados a rede, além dos módulos, o inversor é o principal equipamento a ser dimensionado. Os inversores utilizados para fazer a conexão dos sistemas de geração de energia com a rede elétrica devem fornecer corrente alternada na forma senoidal em sincronismo de fase com a rede. Além disso, os inversores para conexão à rede devem atender aos seguintes requisitos: Tensão de operação; Frequência de operação; Minimização de corrente contínua na rede elétrica; Distorção harmônica de corrente admissível; Fator de potência; Atuação na detecção de ilhamento; Normas brasileiras. O dimensionamento do inversor para sistemas fotovoltaicos conectados a rede deve considerar os seguintes pontos: A soma da tensão de circuito aberto dos módulos fotovoltaicos ligados em série não deve ultrapassar a tensão máxima permitida na entrada do inversor. A potência do inversor deve ser igual ou maior que a potência de pico dos módulos fotovoltaicos. 15
EXEMPLOS DE DIMENSIONAMENTO 16
Sistema Isolado Dimensionamento de um sistema fotovoltaico para atender um residência isolada da rede elétrica. Equipamentos a serem atendidos 4 lâmpadas de 25W ligadas durante 4 horas por dia 2 lâmpadas de 15W ligadas durante 2 horas por dia 1 geladeira de 250W ligada durante 10 horas por dia 1 televisão de 300W ligada durante 5 horas por dia Radiação solar no local da instalação Radiação solar média diária de 5 kwh/m 2 /dia. 17
Levantamento do consumo de energia O primeiro passo no dimensionamento do sistema é o levantamento do consumo diário de energia. Equipamento Potência (W) Quantidade (Unid.) Potência Total (W) Tempo (h) Energia (Wh) Lâmpada 25 4 100 2 200 Lâmpada 15 2 30 5 150 Geladeira 250 1 250 10 2500 TV 300 1 300 4 1200 Total 680 4050 A potência total de cada equipamento é obtida multiplicando a potência individual pelo número de equipamentos. A energia é calculada multiplicando a potência total de cada equipamento pelo seu respectivo tempo de uso. Por fim, o somatório da coluna energia fornece a energia total consumida pelos equipamentos diariamente (E consumo ), o que equivale a 4.050 Wh/dia, ou 4,05 kwh/dia.
Dimensionamento do banco de baterias Premissas adotadas nesse exemplo As baterias utilizadas são de chumbo ácido de 12V com descarga máxima de 50% e capacidade de 240 Ah. O sistema deve ter autonomia de 3 dias. Ou seja, deve fornecer energia mesmo em períodos chuvosos ou nublados. Onde: E Armazenada = Energia armazenada N aut = Número de dias de autonomia E consumo = Energia consumida (Wh) D = Descarga máxima da bateria A energia armazenada pelo banco de bateria deve ser 24,3 kwh. Energia armazenada Considerando que o sistema tenha 3 dias de autonomia e a descarga máxima da bateria é de 50% teremos: E Armazenada = N aut x E consumo / D E Armazenada = 3 x 4050 / 0,50 = 24300 Wh
Configuração do banco de baterias Número de baterias em série N Bateria Série = V Banco / V Bateria = 24 / 12 = 2 Onde: N Bateria = Número de baterias em série V Banco = Tensão do banco de baterias (nesse caso 24V) V Bateria = Tensão da bateria (nesse caso 12V) Devem ser usadas 4 baterias conectadas em série. Capacidade do banco de baterias C Banco = E Armazenada / V Banco = 24300 / 24 = 875 Ah O banco de bateria deve ter capacidade de 1013 Ah Número de baterias em paralelo N Bateria Paralelo = C Banco / C Bateria = 1013 / 240 = 4,2 Devem ser usadas 4 baterias conectadas em paralelo Sendo assim o banco de baterias será composto por quatro conjuntos de baterias em paralelo, com duas baterias em série em cada conjunto. O banco terá então um total de oito baterias. 20
Dimensionamento dos módulos Premissas adotadas Considere que os módulos sejam instalados nas condições ideais. Ou seja, orientado em direção ao Norte e com a inclinação adequada a região. Energia produzida por um módulo O primeiro passo é calcular a energia produzida por um módulo fotovoltaico. Nesse exemplo vamos usar o módulo LD135R9W, suas características são: Comprimento 1,47 m Largura 0,67 m Potência Máxima 135 W Eficiência 13,7 % Corrente de curto circuito 8,41 A A área da superfície do módulo fotovoltaico pode ser calcula multiplicando o seu comprimento pela largura. A = 1,47 x 0,67 = 0,98 m 2 A energia produzida pelo módulo fotovoltaico pode ser calculada pela seguinte fórmula: E FV = E sol x A x = 5000 x 0,98 x 0,137 = 671 Wh Número de módulos N Módulo = E consumo / E FV = 4050 / 671 = 6,04 módulos Nesse caso são usados 6 módulos. 21
Configuração dos módulos A configuração dos módulos fotovoltaicos será formada por 3 strings em paralelo com 2 módulos em série por string. 22
Dimensionamento do controlador de carga Premissas adotadas A corrente de curto circuito do módulo é 8,41A. O controlador de carga é equipado com MPPT (aumenta a produção de energia em torno de 30%). Tensão do banco de bateria é 24V Tensão dos equipamentos da residência é 127V. Considerando a configuração dos módulos fotovoltaicos, cada string tem uma corrente máxima de 8,41A, como existem 3 strings a corrente será de 25,2A. I = 8,41 x 3 = 25,2 A Aplicando o fator de segurança de 30% temos: I = 25,2 x 1,3 = 32,8 A Características do controlador de carga: Dimensionamento do inversor O inversor deve ser capaz de atender a demanda total de potência dos equipamentos do sistema. De acordo com a tabela de levantamento de consumo o somatório da potência dos equipamentos é de 680W. Aplicando um fator de segurança de 30% a potência deve ser de 884W. P inv = P equip x 1,3 = 680 x 1,3 = 884 W Onde: P inv = Potência do inversor P equip = Potência do somatório dos equipamentos Dessa forma, o inversor deve ser capaz de operar com uma potência mínima de 884W e tensão de 24V. Corrente nominal mínima de 33A e tensão de 24V. 23
Sistema Conectado a Rede Dimensionamento de um sistema fotovoltaico para uma residência conectada a rede com consumo médio mensal de 300 kwh. Não está sendo considerada a opção de abater do consumo a energia equivalente ao custo de disponibilidade do sistema, conforme resolução normativa 482/2012 da ANEEL. O sistema será dimensionado para produzir os 300 kwh mensais. Radiação solar de 5 kwh/m 2 /dia no local da instalação. 24
Dimensionamento dos módulos fotovoltaicos Premissas adotadas Potência do módulo 240W Área da superfície do módulo 1,6 m 2 Eficiência de 14,6% Energia produzida por um módulo O primeiro passo é calcular a energia produzida por um módulo fotovoltaico nas condições do local. Número de módulos Número de módulos necessários para produzir 300 kwh/mês: N = E consumo / E FVmês = 300 / 35 = 8,6 módulos Então, para produzir 300 kwh/mês são necessários 9 módulos fotovoltaicos de 240W. Configuração dos módulos fotovoltaicos E FVdia = E sol x A x = 5000 x 1,6 x 0,146 = 1.168 Wh Energia produzida pelo módulo ao longo de um mês: E FVmês = 1.168 x 30 = 35 kwh 25
Dimensionamento do inversor Para dimensionar o inversor devem ser analisados dois pontos importantes. Premissas Tensão de circuito aberto dos módulos fotovoltaicos é 37V. Tensão do inversor O primeiro ponto é verificar se a soma das tensões dos módulos ligados em série está de acordo com a faixa de tensão de entrada do inversor. Considerando que a tensão de circuito aberto do módulo usado seja de 37V, a tensão dos 9 módulos ligados em série será: V string = 9 x 37 = 333V Pode ser aplicado um fator de segurança de 10% e nesse caso a tensão máxima de saída será: V string = 333 x 1,1 = 366 V O inversor deve possuir uma faixa de tensão de entrada que suporte a tensão de 366V. Potência do inversor O segundo ponto a ser verificado é a potência máxima fornecida pelos módulos. Como cada módulo tem potência de 240W, os 9 módulos em conjunto fornecem uma potência de 2160W. P inv = N módulo x P módulo = 9 x 240 = 2.160 W Então o inversor deve ser capaz de suportar a potência máxima de 2160W e a tensão de entrada de 366V. 26
CONCLUSÃO O dimensionamento de sistemas fotovoltaicos tem um papel fundamental na avaliação preliminar do sistema. A partir do dimensionamento do sistema é possível: Identificar os principais equipamentos Ter uma estimativa de custo Avaliar a área necessária para instalação dos módulos Estimar a produção de energia O que foi visto nesse guia prático Configurações mais utilizadas nos sistemas fotovoltaicos. Sistemas isolados da rede Sistemas conectados a rede Dados de radiação solar no local da instalação. Site do CRESESB Levantamento do consumo de energia da residência ou instalação a ser atendida. Sistema isolado Potência dos equipamentos e tempo de operação Sistema conectado Contas anteriores de consumo de eletricidade Principais tecnologias fotovoltaicas atualmente no mercado Silício Policristalino Silício Monocristalino Filmes Finos Produção de energia Método da insolação Mapas Solarimétricos 27
Cálculo do número de módulos Demanda de energia Energia produzida por cada módulo Componentes do sistema fotovoltaico Sistema isolado o Módulos Fotovoltaicos o Controlador de Carga o Banco de Baterias o Inversor Sistema conectado o Módulos Fotovoltaicos o Inversor para sistema conectado a rede O mercado de energia solar fotovoltaica tem se desenvolvido muito nos últimos anos. Novos produtos e técnicas aparecem todos os dias. Esse guia prático estará em constante revisão e aprimoramento. Acesse http://www.escoladaenergia.com e veja se você está com a versão atualizada. 28