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MODELO DE UM PROJETO DE UM SISTEMA FOTOVOLTAICO
FLÁVIA FERNANDES DE LEVA
CARLOS HENRIQUE SALERNO
JOSÉ ROBERTO CAMACHO
SEBASTIÃO CAMARGO GUIMARÃES
Núcleo de Eletricidade Rural e Fontes Alternativas de Energia, Faculdade de
Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Uberlândia
Resumo ⎯ Em todo o mundo ocorre um aumento no interesse pelos sistemas fotovoltaicos, motivado principalmente pela redução dos custos das células solares e pelos crescentes problemas ambientais causados pelas formas tradicionais da geração de energia. O uso de sistemas fotovoltaicos no Brasil tem aos poucos ganhado espaço, principalmente em regiões onde o acesso a energia elétrica convencional é ainda economicamente inviável, porém, nada impede que seja aplicado nos locais com presença da energia elétrica.. Evitar excessos é um fator de grande importância a ser considerado no dimensionamento dos sistemas fotovoltaicos isto é, o uso dos equipamentos elétricos ou eletrônicos devem ser bem projetados, bem como, apresentar baixo consumo de energia. Assim, este artigo tem por objetivo apresentar as principais análises e cálculos que devem ser efetuados para um dimensionamento mais preciso do projeto fotovoltaico.
Abstract ⎯ All over the world it has happened an increase in interest for photovoltaic systems, mainly motivated by cost reduction of solar cells and by the growing environmental problems caused by traditional forms of generating energy. The use of photovoltaic systems has slowly gained space, mainly in areas where the access to the conventional electrical energy is still economically unviable, however, it can be used also where conventional energy is extensively used, in order to make electricity bills less expensive. Avoiding excesses is an important factor to be considered in the photovoltaic systems dimensioning, the use of electrical and should present a low energy consumption. Therefore, the last of this paper is to show the main calculation and analysis that should be make in order to get a more precise dimensioning of the photovoltaic system.
1- Introdução
Atualmente, a principal característica do sistema elétrico brasileiro de potência é a utilização de grandes usinas, centralizando a geração de energia elétrica, com o transporte desta através de extensas redes de transmissão e distribuição. À medida que a demanda cresce, as concessionárias precisam ampliar o parque gerador e, adicionalmente, construir novas linhas de transmissão e distribuição. Porém, a adoção deste tipo de sistema como uma alternativa para atender o aumento de demanda resulta em alguns problemas, como o acréscimo das perdas nestas redes devido às longas distâncias entre os locais de geração e consumo. Neste sentido, tem surgido recentemente uma nova opção, denominada Geração Distribuída, na qual os geradores são situados próximos dos consumidores, oferecendo para as concessionárias um meio de aumentar a disponibilidade de energia localmente, eliminando o inconveniente do transporte desta para os centros consumidores. Além disso, esta nova alternativa de geração oferece algumas vantagens, como suporte de tensão através do fornecimento de energia reativa local, melhoria da qualidade de suprimento, redução das perdas, melhoria do fator de potência, liberação da capacidade e possibilidade de ilhamento para atendimento de carga local, melhoria na curva de carga, redução nos custos de expansão da rede e a prorrogação de novos investimentos para a construção de grandes usinas.
Outra vantagem importante é a produção de pequenos blocos de energia através de fontes renováveis, tais como pequenas centrais hidrelétricas (PCH’s), geradores eólicos, células combustíveis, células fotovoltaicas, etc.
O aproveitamento deste tipo de energia, obtida através da transformação direta de recursos naturais como a força do vento, a energia hidráulica, a biomassa e a energia solar, tem sido uma importante opção na atual conjuntura mundial. No Brasil, este tipo de geração não é ainda muito utilizado devido em parte ao custo elevado [COCIAN LUÍS F., 2001]. Porém, com a crescente demanda global por energia e a importância do impacto das políticas energéticas sobre a sociedade e o meio ambiente, cria-se a necessidade de se optar por fontes de energia que possam abastecer a demanda de forma eficiente e sem agredir o meio ambiente, formando assim a base para um desenvolvimento sustentável. Assim, conversão solar fotovoltaica é cada dia mais cotada como meio de substituição aos métodos convencionais de geração de eletricidade, pois na época atual, em que problemas ambientais se agravam e as matérias primas se esgotam, torna- se insustentável a exploração continuada dos combustíveis fósseis.
1.1 - Vantagens e desvantagens de um sistema fotovoltaico
1.1.1 - Vantagens
- Gera energia mesmo em dias nublados;
- Gera energia de 12 volts (corrente contínua);
- Sistema Modular levíssimo; simples instalação, com fácil manuseio e transporte, podendo ser ampliado conforme sua necessidade;
- Grande vida útil, acima de 25 anos;
- Compatível com qualquer bateria; funcionamento silencioso;
- Manutenção quase inexistente;
- Não possui partes móveis que possam se desgastar;
- Não produzem contaminação ambiental.
1.1.2 - Desvantagens
- As células fotovoltaicas necessitam de tecnologia sofisticada para sua fabricação;
- Possuem custo de investimento elevado;
- O rendimento real de conversão de um modulo é reduzido (o limite teórico máximo numa célula de silício cristalino é cerca de 28%), face ao custo do investimento;
- Necessita de um armazenador de energia;
- Seu rendimento é dependente do índice de radiação, temperatura, quantidade de nuvens, dentre outros.
1.2 - Principais aplicações
- Eletrificação de residências;
potável e irrigação;
arítimas; ão em tubulações;
2 - Configurações básicas de sistemas fotovoltaicos
s principais, isolados, híbridos
- Telecomunicações;
- Suprimento de água
- Subestações energéticas;
- Refrigeração medicinal;
- Iluminação pública;
- Sinalização / bóias m
- Proteção catódica contra corros
- Cercas elétricas
O s sistemas fotovoltaicos podem ser classificados em três categoria e conectados as redes. A aplicação de cada uma delas depende da disponibilidade dos recursos de energia nos locais onde os sistemas serão utilizados. Neste trabalho será tratado apenas dos sistemas fotovoltaicos isolados.
2.2.1 - Gerador fotovoltaico
Os módulos fotovoltaicos são formados de células feitas principalmente de silício, um elemento apaz de absorver as partículas de fótons existentes nos raios solares e transformá-las em
duz apenas uma reduzida potência elétrica, o que tipicamente varia ntre 1 e 3 W, com uma tensão menor que 1 Volt. Para disponibilizar potências mais elevadas, as
c corrente elétrica contínua.
Uma célula individual, pro e células são integradas, formando um módulo (ou painel). Ligações em série de várias células aumentam a tensão disponibilizada, enquanto que ligações em paralelo permitem aumentar a corrente elétrica. O mesmo ocorre para os painéis.
Figura 2 – Estrutura de uma célula de silício convencional
Os módulos fotovol ilício, um elemento apaz de absorver as partículas de fótons existentes nos raios solares e transformá-las em
taicos são formados de células feitas principalmente de s c corrente elétrica contínua.
Figura3 – Hierarquia fotovoltaica
Os painéis de módulos fotovoltai aneiras principais:
ínio fixado uma estrutura apropriada feito no telhado já pronto. Trata-se provavelmente da instalação de
cobertura - Os módulos são fixados diretamente nos caibros da cobertura. Em vez e estarem colocados no telhado, são colocados na sua estrutura: o custo excedente é
los clássicos, mas a diferença de preço é ompensada pelo fato de não ser necessária a estrutura de montagem. As telhas apresentam um
cos podem ser instalados de três m
Montagem à superfície - Os módulos são montados num quadro de aço ou de alum n menor custo.
Montagem em d parcialmente compensado pela economia de materiais de cobertura. Este tipo de instalação tem menos impacto visual do que os painéis à superfície.
Telhas solares - São mais caras do que os módu c aspecto sóbrio e clássico e são fáceis de colocar. Além dessas principais, temos painéis adesivos que podem ser colados às parede e painéis semi-transparentes, usados em janelas.
2.2.2 - Acumuladores de energia
A função prioritária das baterias num sistema de geração fotovoltaico é acumular a energia que se roduz durante as horas de luminosidade a fim de poder ser utilizada à noite ou durante períodos
as se a corrente que fornecerem for menor ue aquela que a carga exige, a bateria deverá contribuir. A partir de uma determinada hora da
s de 12V./150Ah. Recomenda-se o uso de baterias seladas de iclos constantes, livres de manutenção. Baterias não devem ser instaladas diretamente sobre o
em de energia de uma bateria depende da velocidade de descarga. A apacidade nominal que a caracteriza corresponde de uma maneira geral a um tempo médio de
que converte a energia elétrica DC em AC (corrente alternada) 110 ou 20 Volts, possibilitando a utilização dos eletrodomésticos encontrados no mercado. O controlador
em sistemas ligados a rede elétrica "utility intertie". A maior arte das residências utiliza corrente alternada de 60Hz e 120 Volts. O inversor senoidal
semelhante ao anterior, porém não produz energia om a mesma qualidade e desta maneira não é aceito pela rede elétrica e seu uso fica restrito
ege as baterias de sobrecargas e descargas excessivas, rolongando sua vida útil. Existem diversos tipos de reguladores de carga. A concepção mais
p prolongados de mau tempo. Outra importante função das baterias é prover uma intensidade de corrente superior àquela que o dispositivo fotovoltaico pode entregar. É o caso de um motor, que no momento do arranque pode exigir uma corrente de 4 a 6 vezes sua corrente nominal durante uns poucos segundos. Normalmente o banco de baterias de acumuladores e os módulos fotovoltaicos trabalham em conjunto para alimentar as cargas. Durante a noite toda a energia pedida pela carga é fornecida pelo banco de baterias.
Em horas matutinas os módulos começam a gerar, m q manhã a energia gerada pêlos módulos fotovoltaicos supera a energia média procurada, passando então a recarregar as baterias.
Utiliza-se principalmente bateria c solo ou piso: devem sempre ser assentadas sobre uma base plástica ou de madeira. Observar que o local esteja sempre livre de umidade e impurezas, e seja ventilado. Mantenha a bateria em local abrigado do sol e da chuva. A eficiência do sistema de energia solar depende diretamente da qualidade e do estado das baterias. Baterias velhas aceitam menos carga e ainda desperdiçam a energia de carga fornecida.
A capacidade de armazenag c descarga de 10 horas. Quanto maior for o tempo de descarga, maior será a quantidade de energia que a bateria fornece.
2.2.3 - Conversores
É um aparelho eletrônico 2 de carga otimiza o uso da Energia Fotovoltaica, protegendo a bateria contra sobrecargas e descargas excessivas, não permite a descarga total da bateria desconectando a carga, garantindo mais vida útil à bateria e protegendo o módulo evitando o retorno da energia. Os tipos básicos de inversores são:
Inversor de onda senoidal - utilizado p transforma a corrente direta do sistema FV (variando geralmente entre 12Vcd – 360Vcd) em 120 Vca, 60 Hz e sincroniza com a rede elétrica.
O Inversor de onda senoidal modificada - é c para os sistemas independentes e de custo inferior.
2.2.4 - Reguladores de tensão
É um aparelho eletrônico que prot p simples é aquela que envolve uma só etapa de controle. O regulador monitora constantemente a tensão da bateria dos acumuladores e fica definido ao especificar o seu nível de tensão (que coincidirá com o valor de tensão do sistema) e a corrente máxima que deverá manejar. Quando a referida tensão alcança um valor para o qual se considera que a bateria se encontra carregada (aproximadamente 14.1 Volts para uma bateria de chumbo ácido de 12 Volts nominais) o regulador interrompe o processo de carga. Isto pode ser conseguido abrindo o circuito entre os módulos fotovoltaicos e a bateria (controle tipo serie) ou curto-circuitando os módulos fotovoltaicos
Figura 4- Média anual da insolação diária (em horas) no território brasileiro. Fonte: Atlas solarimétrico do Brasil
Quando o fabricante informa que a placa fornece determinada potencia, é baseado em testes para valores fixos de temperatura (25°C) e radiação (1000W/m^2 ). Para melhor compreensão faz-se uma análise de uma placa de um determinado fornecedor [SHELL SOLAR] com potência de 50W. Onde variamos o valor da radiação e mantemos a temperatura constante, e posteriormente variamos a temperatura e mantivemos o valor da radiação. Cujos resultados estão nas figuras 5 e
Tensão(V)
Potência (W)
Temperatura 25ºC 1000W/m
800W/m
600W/m
400W/m
200W/m
Figura 5 - Variação da potência do módulo com a variação do índice de insolação
Tensão (V)
Potência (W)
Radiação:1000W/m
0ºC
60ºC
15ºC 30ºC 45ºC
Figura 6 – Variação da potência do módulo com a variação da temperatura
3.1 - Dimensionamento
3.1.1 - Cálculo do consumo das cargas
O consumo deve ser calculado com base diária considerando a sazonalidade semanal para cargas CA e CC. Consumo para cargas de corrente-contínua e corrente alternada:
Cons 1 = PotxH (1)
EfCon
PotxH Cons 2 = (2)
ConsTotal = ( Cons 1 + Cons 2 ) xC 1 (3)
onde:
Cons1= consumo para cargas de corrente-contínua, Cons2= consumo para cargas de corrente alternada, EfCon= eficiência do conversor DC-AC ConsTotal= consumo total, C1= coeficiente de segurança para perdas.
A eficiência do conversor gira em torno de 70 a 80% e segundo [BOILY, 1998] para um projeto preliminar de SF utiliza-se coeficiente de segurança de 20%.
3.1.2 - Valor da corrente e do ângulo de inclinação do painel
O ângulo de inclinação de um painel vai variar de acordo com o valor da latitude.
Trabalha-se com o conceito de insolação útil, que considera o número de horas em que o módulo está drenando uma máxima corrente a uma radiação de 1000W/m^2.
H
ConsTot PotInst = (4)
onde:
PotInst = Potência instalada, ConsTot= consumo total, H = horas de Máxima radiação solar.
3.1.3 - Dimensionamento do banco de baterias
Para um bom dimensionamento é necessário saber a capacidade de armazenamento ou reserva das baterias (kWh) e a amplitude de descarga das mesmas (%). Para isso é necessário que se conheça e analise dados de varias baterias.
AmpDescxEf Con
ConsTotxD
Bat = (5)
onde:
Bat= reserva de baterias, ConsTot= consumo total, D= número de dias independentes, AmpDesc= amplitude de descarga,
Palavras-chave⎯ Dimensionamento, Energia Solar, Fotovoltaica, Projeto.
6 - Referencias bibliográficas
[1] COCIAN LUÍS F. E., SANTOS JOÃO C. V.; “Sistemas Fotovoltaicos: Uma alternativa para a geração de energia elétrica” Revista Lumiére, julho de 2000.
[2] ERGE T., HOFFMANN V. V., KIEFER K.; “The German Experience With Grid-Connected PV Systems” Solar Energy , vol. 70, nº 6 pp 479-487, 2001.
[3] FAE / UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO, parceria com o CEPEL, Atlas solarimétrIco do Brasil - feito com base em medições terrestres, 1997.
[4] LABSOLAR, Co-autoria do INPE Patrocínio INMET, Atlas de Irradiação Solar de Brasil , (1995/98).
[5] CRESESB, Programa SUNDATA , traz informações sobre insolação, (www.cresesb.cepel.br/sundatn.htm).
[6] SHELL SOLAR; www.shell.com/solar. Photovoltaic Solar Module : Shell SM50-H.
[7] BOILY, R., SAWADOGO, A., ROSSI, L.A. Desenho de sistemas fotovoltaicos para comunidades rurais. In: Congresso Brasileiro de Engenharia Agrícola, 27, 1998. Poços de Caldas – MG, Anais... Poços de Caldas, 1998.
