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Dimensionamento de um sistema fotovoltaico

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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

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Sistemas fotovoltaicos● Componentes de um sistema típico

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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

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Células fotovoltaicas● Estrutura de uma célula fotovoltaica

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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%.

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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.

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Módulo fotovoltaico

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Curvas características das células fotovoltaicasCorrente x tensão

Corrente (A)

ICC

IMP

PMP

Tensão (V)

VMP VCAICC: corrente de curto-circuito VCA: tensão de circuito abertoPMP: potência de picoIMP e VMP: corrente e tensão máxima na potência máxima

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Curvas características das células fotovoltaicasEfeito da radiação solar

A corrente disponível na célula varia de forma proporcional à intensidade de radiação. A tensão mantém-se praticamente constante

Corrente (A)

Tensão (V)

A tensão praticamente não sofre variação

A corrente diminui a medida que diminui o nível de radiação solar

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Curvas características das células fotovoltaicasEfeito da temperatura

O aumento da temperatura do módulo fotovoltaico provoca uma redução da tensão de forma praticamente proporcional, além de um pequeno aumento da corrente.

Tensão (V)

Corrente (A)

Altas temperaturas implicam em uma diminuição da tensão

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Curvas características das células fotovoltaicasPotência em função da hora do dia

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)

A área sob a curva equivale a energia gerada pelo painel solar em um dia em W.h

Potência (W)

Hora do dia(h)

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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

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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 terminaisIsso equivale a uma potência de 12 V x 5 A = 60 W por 12 horasOu 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.

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Baterias

● Outro parâmetro importante de uma bateria é o números de ciclos de carga/descarga em sua vida útil

● Valores típicos são 2.500 ciclos com profundidade de descarga de 20% e 1200 ciclos de vida com profundidade de 50%

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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

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Dimensionamento● Esquema para o dimensionamento

Levantamento das cargas CC

Levantamento das cargas CA

Perfil

Perfil

X

X Wh/dia

Wh/dia

+

Wh/dia total X Autonomia

(dias)Capacidade das baterias=

=

=

Especificação do inversor

Especificação do painel solar

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Dimensionamento● Exemplo de Tabela de consumo

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Dimensionamento● Banco de baterias / cálculo pela 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:

Capacidadebancode bat=Consumototal Ah/dia ⋅Autonomia dias

Profundidadededescarga no final da autonomia

Capacidadebancode bat=20⋅30,6

=100 Ah

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Dimensionamento

● Banco de baterias / cálculo pelo consumo diário

● O consumo total diário é de 20 Ah (ver tabela) e considerando a profundidade de descarga igual a 0,15

● Escolhe-se portanto 134 Ah, o maior valor encontrado

Capacidadebancode bat=Consumototal Ah/ dia

Profundidadededescarga no final decada noite

Capacidadebancode bat=20

0,15=133,33 Ah

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Dimensionamento● Gerador fotovoltaico

● 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

● Escolhe-se portanto 100 W obtido em 2 módulos de 50 W

Potenciamínimagerador fotov=Consumo total Ah/dia ⋅VMPmodulo

horasequivalentes desol pleno⋅ fator desegurança

Potenciamínimagerador fotov=20⋅17,44,5⋅0,8

=96,66W ou aprox.100W

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Dimensionamento● Inversor

● Da tabela, a potência CA é de 50 W

●

Potenciainversor=Potenciadas cargasCA20% perdas

Potenciainversor=5010=60W

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Dimensionamento● Atividade

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