Dimensionamento real de sistema fotovoltaico

DIMENSIONAMENTO DE UM SISTEMA FOTOVOLTAICO PARA UMA CASA DE

VERANEIO EM POUSO DA CAJABA-PARATY

Marcos Antonio dos Santos Serro

PROJETO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE

ENGENHARIA ELTRICA DA ESCOLA POLITCNICA DA UNIVERSIDADE

FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSRIOS

PARA A OBTENO DO GRAU DE ENGENHEIRO ELETRICISTA.

Aprovada por:

________________________________________Prof. Lus Guilherme Barbosa Rolim

(Orientador)

________________________________________Prof. Walter Issamu Suemitsu

________________________________________Prof. Celso Alexandre Souza de Alvear

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL

AGOSTO DE 2010

Lista de Figuras

Figura 1.1 Localizao do Pouso da Cajaba ........................................................ 1

Figura 1.2 Recursos energticos conhecidos e o consumo mundial.................. 2

Figura 1.3 - Planta da casa considerada.................................................................. 3

Figura 2.1 Sistema Fotovoltaico ligado rede eltrica......................................... 6

Figura 2.2 Sistema fotovoltaico autnomo ............................................................. 6

Figura 2.3 Representao de uma clula fotovoltaica........................................ 7

Figura 2.4 Simulao de uma clula fotovoltaica................................................. 8

Figura 2.5 Ligao de painis em srie ................................................................... 9

Figura 2.6 Ligao de painis em paralelo............................................................. 9

Figura 2.7 Ligao de painis em srie-paralelo ................................................. 10

Figura 2.8 Variao da posio do sol com as estaes do ano .................... 11

Figura 2.9 Esquema de uma Clula Eletroqumica.............................................. 12

Figura 2.10 - Funcionamento de um Controlador Srie ......................................... 14

Figura 2.11 Funcionamento de um Controlador Shunt ....................................... 14

Figura 2.12 - Funcionamento de um Controlador com MPP................................ 15

Figura 2.13 Formas de onda tpicas de inversores ............................................... 16

Figura 2.14 Circuito bsico de um inversor............................................................ 16

Figura 2.15 Curva caracterstica para diversos modelos de inversor................ 17

Figura 2.16 Circuito montado para determinar a curva caracterstica do inversor

........................................................................................................................................ 17

Figura 2.17 Tenso de sada sem carga................................................................ 18

Figura 2.18 Curva de rendimento do Inversor de onda retangular .................. 19

Figura 3.1 Funcionamento da esfera de medies............................................. 21

Figura 3.2 Eficincia das lmpadas ensaiadas .................................................... 22

Figura 3.3 Placa de 48 LEDs ..................................................................................... 22

Figura 3.4 Lmpada Eletrnica Aram 15W............................................................ 23

Figura 4.1 Radiao diria mdia mensal para cada localidade ................... 27

Figura 4.2 Esquema das ligaes para o projeto de iluminao em LEDs ...... 30

Figura 4.3 Planta de instalao para o projeto de iluminao em LEDs ......... 30

Figura 5.1 Inversor de 300W, 12VDC-220VAC ....................................................... 37

Figura 5.2 - Esquema das ligaes para o projeto de iluminao em 220V...... 38

Figura 5.3 Planta de instalao para o projeto de iluminao em 220V ........ 39

Figura 6.1 Ventilador de 30cm, Mondial V-03....................................................... 41



Figura 6.4 Esquema das ligaes para o projeto de carga geral com placas de

LEDs ................................................................................................................................ 51

Figura 6.5 - Esquema das ligaes para o projeto de carga geral com fluorescentes

........................................................................................................................................ 52

Figura 6.6 Planta de instalao eltrica para o projeto de carga geral com

fluorescentes................................................................................................................. 52

Figura 6.7 - Planta de instalao eltrica para o projeto de carga geral com LEDs

........................................................................................................................................ 53

Figura 7.1 Inversor de 75W, 12VDC-220VAC ......................................................... 61

Figura 7.2 Esquema das ligaes para o projeto de carga reduzida com placas de

LEDs ................................................................................................................................ 64

Figura 7.3 - Esquema das ligaes para o projeto de carga reduzia com

fluorescentes................................................................................................................. 64

Figura 7.4 - Planta de instalao eltrica para o projeto de carga reduzida com LEDs

........................................................................................................................................ 65

Figura 7.5 Planta de instalao eltrica para o projeto de carga reduzia com

fluorescentes................................................................................................................. 65

v

Lista de Tabelas

Tabela 2.1 Dados de placa do painel MST-20LV.................................................. 11

Tabela 2.2 Dados do inversor coletados no laboratrio..................................... 17

Tabela 3.1 Dados das luminrias coletados no laboratrio ............................... 21

Tabela 4.1- Consumo estimado no vero usando LEDs......................................... 24

Tabela 4.2 Consumo estimado no inverno usando LEDS.................................... 25

Tabela 4.3 Radiao diria mdia por localidade ............................................. 27

Tabela 4.4 Quadro de cargas para o projeto de iluminao em LEDs ........... 31

Tabela 5.1 - Consumo estimado no vero usando lmpadas eletrnicas........ 33

Tabela 5.2 - Consumo estimado no inverno usando lmpadas eletrnicas ..... 34

Tabela 5.3 Quadro de cargas para o projeto de iluminao em 220V........... 39

Tabela 6.1 Consumo de cada aparelho para o caso geral no vero............. 42

Tabela 6.2 - Consumo de cada aparelho para o caso geral no inverno........... 42

Tabela 6.3 Quadro de cargas para o projeto de carga geral com fluorescentes

........................................................................................................................................ 53

Tabela 6.4 Quadro de cargas para o projeto de carga geral com LEDs........ 54

Tabela 7.1 Consumo de cada aparelho para o caso com pouca carga no vero

........................................................................................................................................ 56

Tabela 7.2 - Consumo de cada aparelho para o caso com pouca carga no inverno

........................................................................................................................................ 56

Tabela 7.3 Quadro de cargas para o projeto de carga reduzida com fluorescentes

........................................................................................................................................ 66

Tabela 7.4 Quadro de cargas para o projeto de carga reduzida com LEDs . 66

6

Tabela 8.1 Itens necessrios utilizando a placa de LEDs..................................... 68

Tabela 8.2 Itens necessrios utilizando as lmpadas eletrnicas...................... 68

7

Sumrio

Lista de Figuras ........................................................................................................... ii

Lista de Tabelas ..........................................................................................................v

Sumrio .......................................................................................................................6

1 Introduo ...........................................................................................................1

1.1 Motivao ........................................................................................................ 1

1.2 Objetivos ........................................................................................................... 3

1.3 Organizao dos Captulos ........................................................................... 4

2 Conhecimentos Bsicos .....................................................................................5

2.1 Histrico da Energia Solar Fotovoltaica........................................................ 5

2.2 Painis Fotovoltaicos ....................................................................................... 6

2.3 Baterias ............................................................................................................ 12

2.4 Controladores de Carga .............................................................................. 13

2.5 Inversores......................................................................................................... 15

3 Alternativas de Iluminao ..............................................................................21

4 Projeto de Iluminao em 12V ........................................................................24

4.1 Clculo do Consumo Dirio......................................................................... 24

4.2 Dimensionamento da Baterias .................................................................... 25

4.3 Dimensionamento dos Painis Fotovoltaicos ............................................ 26

4.4 Dimensionamento do Controlador de Carga .......................................... 29

4.5 Esquema de Ligao.................................................................................... 29

5 Projeto de Iluminao com Lmpadas Eletrnicas .......................................33

8




5.4 Dimensionamento do Inversor ..................................................................... 36


5.6 Esquema de Ligao.................................................................................... 38

6 Projeto de Tomadas para Uso Geral................................................................41


6.2 Dimensionamento das Baterias ................................................................... 43

6.2.1 Projeto utilizando a placa de LEDs ......................................................... 43

6.2.2 Projeto utilizando lmpadas eletrnicas ............................................... 44


6.3.1 Dimensionamento utilizando placas de LEDs ....................................... 44

6.3.2 Dimensionamento utilizando lmpadas eletrnicas ........................... 45







6.6 Esquemas de Ligao .................................................................................. 51

7 Projeto de Tomadas para Carga Reduzida ....................................................56

9



7.2.1 Projeto utilizando a placa de LEDs ......................................................... 57

7.2.2 Projeto utilizando lmpadas eletrnicas ............................................... 58










7.6 Esquemas de Ligao .................................................................................. 63

8 Anlise dos Projetos ..........................................................................................68

8.1 Lista de Itens ................................................................................................... 68

8.2 Anlise Crtica................................................................................................. 69

9 Concluso..........................................................................................................70

10 Referncias Bibliogrficas ................................................................................71

11 Anexos ...............................................................................................................72

Anexo 1 - Fator de Demanda para instalaes em geral .................................... 72

Anexo 2 Tabela de Consumo Mdio Mensal ....................................................... 76

1

1 Introduo

1.1 Motivao

A comunidade do Pouso da Cajaba, localizada no municpio de Paraty-RJ,

possui cerca de 200 habitantes[Guilherme1] [8], acessvel apenas por barco, ou

atravs de uma longa trilha na floresta, e nunca foi conectada ao sistema brasileiro

de energia eltrica. [Guilherme2]O Laboratrio de Fontes Alternativas de Energia

(LAFAE/UFRJ) vem realizando aes no local desde o final de 2008. Atualmente a

atividade conta crditos curriculares atravs do Requisito Curricular Complementar

(RCC), coordenado pelo professore Guilherme Rolim. A Figura 1.1 mostra a

localizao da comunidade na regio da Costa Verde fluminense.

Figura 1.1 Localizao do Pouso da CajabaFONTE: Google Maps, 2010

[Guilherme3]A utilizao da energia solar fotovoltaica para o projeto em

questo justificada devido s caractersticas peculiares do local (no ligao

rede convencional e alta luminosidade). Possui diversas vantagens se comparada

com um gerador a diesel - alternativa tambm bastante adotada em sistemas

isolados - no necessita de combustvel, silenciosa e no polui para gerar energia.

[Guilherme4] Em 2003 foram instaladas algumas placas solares na regio, atravs de

um projeto do governo estadual em parceria com uma determinada empresa

privada, porm como no houve manutenes peridicas, vrios equipamentos se

degradaram com o tempo ou deixaram de funcionar por utilizao indevida, como

algumas baterias e inversores [9].

2

Atualmente, cerca de 90% da produo mundial de energia tem origem

fssil[Guilherme5], sendo o carvo ainda respondendo por grande parte desse total

[2], o que contribui enormemente para a poluio atmosfrica e o aquecimento

global. Em mdia, uma pessoa consome o equivalente a 2 toneladas de carvo por

ano para a produo de energia eltrica[Guilherme6]. Esse consumo obviamente

no uniforme no planeta, enquanto que um europeu mdio consome mais de 6

toneladas por ano, um cidado de Bangladesh no chega a consumir 0,15

toneladas, ou seja, 40 vezes menos [2]. Assim, a reflexo sobre novos hbitos de

consumo e fontes de energia menos poluentes tem recebido um grande destaque

nos ltimos anos.

A Figura 1.2 mostra uma comparao esquemtica da energia que poderia

ser produzida utilizando as vrias reservas conhecidas de combustveis no planeta

de Urnio (gerando energia atravs da fisso nuclear), Gas Natural, Petrleo e

Carvo; a energia incidente pelo sol durante um ano; e o consumo mundial. Pode-

se observar claramente que a energia solar excede em cerca de 10.000 vezes a

demanda anual do planeta, constituindo portanto um recurso com um potencial

praticamente inesgotvel a ser explorado.

3

Figura 1.2 Recursos energticos conhecidos e o consumo mundialFONTE: Greenpro, 2004

A grande motivao deste trabalho vem justamente da oportunidade de se

colocar em prtica conhecimentos adquiridos em sala de aula de uma tecnologia

relativamente nova e sustentvel, realizando um projeto de engenharia que possa

[Guilherme7]transformar a vida da comunidade local. Uma das maiores

preocupaes do RCC era justamente relativa percepo dos moradores locais

sobre o projeto, o objetivo no era substituir polticas pblicas, mas sim melhorar a

qualidade de vida da regio levando em conta as demandas dos moradores e as

tecnologias a nosso alcance.

Vrias reunies foram realizadas com os moradores da regio para entender

suas reais necessidades e anseios, bem como explicar as limitaes tcnicas e

econmicas do projeto. Assim, foi possvel traar metas e objetivos viveis do ponto

de vista prtico e que correspondessem s expectativas dos moradores.

4

1.2 Objetivos

O objetivo deste trabalho apresentar o projeto de um sistema fotovoltaico

para uma casa sem energia eltrica no Pouso da Cajaba, [Guilherme8]com quatro

quartos, dois banheiros, uma sala, uma cozinha e uma varanda, como mostrado na

Figura 1.1. A casa est localizada na parte oeste da praia do Pouso, sendo utilizada

principalmente como uma residncia de veraneio. Nosso desafio ser realizar um

projeto com equipamentos de baixo custo num sistema eficiente como um todo,

devido s demandas do local e baixa disponibilidade de recursos.

Figura 1.1 - Planta da casa considerada

[Guilherme9]Para o projeto, ser levado em considerao a utilizao das

placas fotovoltaicas de 20W disponveis no Laboratrio de Fontes Alternativas de

Energia (LAFAE/UFRJ). Ser dado um grande destaque em modelar o consumo de

energia o mais prximo possvel da realidade, pois ao equilibr-lo com a produo

de energia, um possvel super ou sub-dimensionamento ser evitado.

Uma vez que os painis fotovoltaicos disponveis so de baixa potncia, os

aparelhos a serem utilizados na casa devero possuir uma alta eficincia e baixo

consumo de energia, levando em conta se os preos praticados no mercado so

condizentes. Um gasto maior na compra de equipamentos mais eficientes pode ser

plenamente justificado num gasto menor com equipamentos do sistema

5

fotovoltaico, como placas fotovoltaicas auxiliares, baterias ou inversores de grande

potncia.

O trabalho esta dividido em sub-projetos levando em considerao apenas

as necessidades de iluminao e as diversas cargas que podero ser conectadas

no sistema (aparelho de som, computador, carregador de celular, etc.). Assim,

dependendo da disponibilidade de recursos, pode-se implementar um projeto em

detrimento do outro.

Sero levados em considerao ainda dois cenrios distintos para cada sub-

projeto: um durante o vero, quando o consumo consideravelmente maior, e

outro durante o inverno, quando a incidncia solar mais baixa. De posse desses

dados, o sistema ser dimensionado para funcionar corretamente mesmo no pior

caso.

Finalmente, ser feita uma anlise crtica das alternativas de alimentao de

energia em 12, 127 ou 220V levando-se em conta a disponibilidade/preo dos

equipamentos no mercado e a eficincia energtica. Tambm ser realizado o

dimensionamento das baterias, painis fotovoltaicos e inversores com modelos

disponveis no mercado. Como a maioria de suas caractersticas normatizada,

podem ser facilmente substitudos por outras marcas.

1.3 Organizao dos Captulos

No Captulo 1, foi realizada uma rpida apresentao da motivao e dos

objetivos do trabalho. No Captulo 2, sero abordados os principais conceitos e

equipamentos relacionados energia fotovoltaica, e calculada a eficincia de um

inversor com dados medidos em laboratrio. No Captulo 3, sero apresentadas trs

alternativas inicialmente consideradas para iluminao da casa. Nos Captulos 4, 5,

6 e 7, ser abordado o dimensionamento propriamente dito dos equipamentos,

considerando alguns cenrios. No Captulo 8, ser apresentada a concluso do

trabalho.[Guilherme10]

6

2 Conhecimentos Bsicos

2.1 Histrico da Energia Solar Fotovoltaica

A Energia Solar Fotovoltaica a energia oriunda da transformao direta de

luz em energia eltrica. Esse fenmeno foi descrito pela primeira vez em 1839 pelo

fsico francs Edmond Becquerel, ao relatar as propriedades do Selnio, que

produzia uma corrente eltrica diretamente proporcional radiao incidente.

O assunto passou a receber um grande destaque a partir dos anos 60,

durante a guerra fria, pois apesar de seu custo elevado, essa tecnologia se mostrou

apropriada para suprir as demandas energticas em misses aeroespaciais bem

como para a manuteno de satlites.

Devido crise do petrleo na dcada de 70, investiram-se[Guilherme11]

vultosos recursos em fontes alternativas de energia. As aplicaes terrestres

divergiam bastante das aplicaes espaciais, agora era fundamental ter um

balano energtico positivo, ou seja, os mdulos fotovoltaicos deveriam produzir

mais energia do que a energia que foi gasta na sua produo [1].

Outro grande desafio era reduzir seus custos de fabricao, visando sua

popularizao. Nessa poca, foram desenvolvidas as clulas de silcio policristalino,

que eram muito mais fceis e baratas de se fabricar, porm possuam uma

eficincia inferior aos modelos feitos com silcio monocristalino. Programas

governamentais de pases como Alemanha, Espanha e Japo estimularam a

aplicao domstica dessa tecnologia, o que permitiu uma produo em escala,

reduzindo ainda mais os custos.

Atualmente tambm so bastante populares as clulas fotovoltaicas

produzidas com filmes finos, estas utilizam ainda menos materiais e energia no seu

processo de fabricao do que as de silcio policristalino, o que justifica o seu preo

mais acessvel. Estas so bastante flexveis mecanicamente, possibilitando

aplicaes em diversas situaes. Como desvantagens possuem uma vida til

reduzida e um rendimento inferior s convencionais, necessitando assim de uma

rea maior para a mesma produo energtica.

7

Os sistemas fotovoltaicos podem ser divididos quanto s suas formas de

aplicao: os sistemas autnomos e os sistemas ligados rede eltrica. Em vrios

pases europeus h diversas polticas de incentivo para que pequenos sistemas

domsticos vendam sua energia rede, usufruindo de tarifas especiais. No Brasil,

no h regulamentao alguma sobre esse tipo de ligao, prevalecendo assim os

sistemas autnomos, como o que ser apresentado no presente trabalho.

Nos sistemas ligados rede, alm dos geradores fotovoltaicos, preciso

conectar algum equipamento de proteo aos painis, prevenindo-os de correntes

reversas, alm de um inversor, que transforme a energia - sempre gerada em

corrente contnua - numa forma compatvel com a rede eltrica, ou seja, em

corrente alternada. A Figura 2.1 mostra o esquema bsico de um pequeno sistema

fotovoltaico ligado rede.

Figura 2.1 Sistema Fotovoltaico ligado rede eltrica

Nos sistemas autnomos, preciso um sistema de armazenamento de energia,

papel comumente desempenhado pelas baterias. Deve-se proteger as baterias

contra sobre-tenses, descargas excessivas, entre outros. Assim, fundamental a

utilizao de um controlador de carga. Caso as cargas a serem conectadas no

sejam compatveis com a tenso da bateria, ou ainda, sejam em corrente

alternada (mais comumente), tambm ser preciso adotar um conversor ou

inversor, como exemplificado na Figura 2.2. Falaremos mais detalhadamente sobre

os componentes relativos a sistemas autnomos a seguir.

8

Figura 2.2 Sistema fotovoltaico autnomo

2.2 Painis Fotovoltaicos

Clulas solares ou fotovoltaicas so os elementos responsveis pela

transformao da energia solar em energia eltrica, estas utilizam as propriedades

dos materiais semicondutores (na maioria dos casos, o Silcio). Estes, quando

devidamente dopados com elementos qumicos como o Boro e o Fsforo, formam

a chamada juno pn, num lado se concentram as cargas positivas, e no outro, as

cargas negativas, criando um campo eltrico permanente que dificulta a

passagem de eltrons de um lado para o outro. Caso um fton incida com energia

suficiente para excitar um eltron, haver a circulao de corrente eltrica,

gerando energia em corrente contnua, constituindo assim o chamado Efeito

Fotovoltaico.

Uma clula solar produz apenas cerca de 0,4 Volts no seu ponto de mxima

potncia, sendo necessrio conectarem-se vrias em srie para obter-se tenses

mais altas. Assim, a maioria dos painis fotovoltaicos composto por algo entre 36 a

72 clulas, produzindo tenses de sada apropriadas para sistemas CC de 12 a 24V.

Uma simbologia comumente utilizada para representar as clulas e os painis

fotovoltaicos apresentada na Figura 2.1, bem como o circuito eltrico equivalente

para a clula solar.

9

Figura 2.1 Representao de uma clula fotovoltaica

No modelo equivalente, a intensidade da corrente produzida varia

linearmente com a incidncia solar, a resistncia paralela representa a corrente de

fuga e a resistncia srie, a queda de tenso entre o semicondutor e os contatos

eltricos. Tipicamente, a resistncia srie assume um valor de poucos miliohms, e a

resistncia paralela, de vrios ohms. Com o auxlio do programa de simulao

Circuit Maker, uma clula fotovoltaica foi modelada como um diodo do tipo

1N4001 com valores tpicos nas resistncias, uma resistncia paralela de 200, uma

resistncia srie de 3m, e uma carga de tenso varivel. Para uma corrente de 8A,

os valores de corrente, tenso e potncia na carga so apresentados na Figura 2.2

a seguir.

Figura 2.2 Simulao de uma clula fotovoltaica

possvel observar que tanto na condio de curto-circuito (tenso na carga

igual a zero) quanto em circuito aberto, a potncia fornecida vale zero. Existe ainda

um nico ponto onde a potncia fornecida mxima, mais conhecido pela sua

10

sigla em ingls: MPP (Maximum Power Point). Caso no haja um sistema de rastreio,

em geral o sistema ir operar fora desse ponto. A potncia nominal descrita pela

maioria dos fabricantes corresponde a esse ponto, com uma incidncia solar de

1000W/m2, equivalente a um dia de sol forte sem nuvens. Assim a maioria dos

sistemas fotovoltaicos trabalha a maior parte do tempo abaixo do seu valor

nominal.

Caso a energia produzida por um nico painel fotovoltaico no seja mais

suficiente para suprir a demanda das cargas, possvel aumentar a gerao

simplesmente conectando outros painis no sistema. Ao se conectar painis em

srie, como mostrado Figura 2.3, a tenso de sada do sistema ser proporcional

quantidade de painis, porm o valor da corrente permanecer o mesmo,

permitindo assim o uso de cabos de mesma bitola. Um conjunto de painis ligados

em srie forma uma fileira. A grande desvantagem dessa soluo que o

sombreamento de um nico mdulo fotovoltaico afeta a produo da fileira como

um todo.

Figura 2.3 Ligao de painis em srie

Ao alocarmos painis em paralelo, como mostrado na Figura 2.4, no iremos

alterar o valor da tenso de sada, assim vrios equipamentos que exigem uma

determinada tenso de entrada utilizados no projeto para apenas um painel, como

inversores e baterias podero ser aproveitados. Como a corrente ir aumentar

bastante, ser necessrio fazer uma reavaliao das quedas de tenso no sistema.

Caso haja um sombreamento nessa configurao, apenas os mdulos afetados

deixaro de contribuir na gerao de energia.

11

Figura 2.4 Ligao de painis em paralelo

Outra alternativa de interligao conectar fileiras de painis em paralelo,

constituindo uma ligao srie-paralelo, como mostrado na Figura 2.5. Essa

configurao bastante utilizada em projetos que exigem um determinado nvel

de tenso de sada, como nos sistemas ligados rede.

Figura 2.5 Ligao de painis em srie-paralelo

Caso uma corrente eltrica atravesse um painel fotovoltaico no sentido

contrrio ao que ele foi projetado, seu funcionamento pode ficar comprometido

permanentemente, gerando os chamados hot-spots nos modelos cristalinos. A fim

de se evitar tais correntes, pode-se colocar diodos de bloqueio nas fileiras, porm

isso causar perdas significativas de energia (at 2%). Assim, projetaremos fusveis

nas fileiras, que devero ser substitudos sempre que houver um defeito.

12

Uma das grandes preocupaes nos sistemas fotovoltaicos relativa aos

efeitos de sombreamento, pois estes impedem a incidncia solar em determinadas

clulas. Caso uma pequena parte de um painel esteja sombreada, por exemplo,

devido ao acmulo de sujeira, isso pode ser suficiente para praticamente zerar a

produo de energia no somente na rea sombreada, mas em todo o ramo srie

correspondente. Em geral, os painis so afixados com uma inclinao mnima de

15 para evitar o acmulo de sujeira e que a gua da chuva possa limp-los.

O levantamento de possveis sombreamentos e o estudo do posicionamento

do sol durante o ano fundamental para o sucesso de qualquer projeto. A

produo energtica dos sistemas fotovoltaicos varia nos meses do ano, no

somente devido s condies meteorolgicas, mas tambm devido ao movimento

da Terra ao redor do sol, como mostrado na Figura 2.6. No hemisfrio sul,

recomenda-se que as placas estejam viradas para o norte geogrfico, enquanto

que no hemisfrio norte, recomenda-se que as placas estejam voltadas para o sul

para se obter um melhor aproveitamento energtico durante o ano.

Figura 2.6 Variao da posio do sol com as estaes do ano

Dependendo da inclinao dos painis, pode-se produzir mais energia em

determinadas pocas do ano em detrimento de outras, o que pode ser bastante

interessante para o caso do consumo variar significativamente durante o ano (por

exemplo, numa residncia de veraneio). Como de se esperar, tais ngulos variam

de acordo com o posicionamento global (latitude e longitude) de onde ser

instalado o sistema. Muitas vezes, os aspectos visuais e arquitetnicos justificam a

13

instalao dos painis fotovoltaicos em inclinaes diferentes da tima, por

exemplo, seguindo a inclinao do telhado.

Os painis disponibilizados pelo Lafae so feitos com a tecnologia de filme

fino de silcio amorfo, modelo MST-20LV, da marca BP Solarex. Devido ao efeito

[Guilherme12]Staebler-Wronski [2], a eficincia dessas placas dever cair nos

primeiros 6 a 12 meses, at se estabilizar na potncia nominal especificada. A

Tabela 2.1 abaixo mostra os dados de placa dos painis.

Grandeza Inicial Nominal

Potncia Mxima 24,1 W 20 WTenso de Circuito Aberto 22,3 V 22 VCorrente de Curto Circuito 1,72 A 1,56 ATenso para PotnciaMxima

17,2 V 16,2 V

Corrente para PotnciaMxima

1,40 A 1,30 A

Tabela 2.1 Dados de placa do painel MST-20LV

Nos mdulos convencionais (feitos de silcio cristalino), a produo

energtica costuma cair para abaixo da potncia nominal quando a temperatura

nas clulas fotovoltaicas superior aos 25C, cenrio bastante comum ao caso

brasileiro. J nos mdulos amorfos, ocorre uma reduo mdia de apenas 0,4% por

grau Celsius, porm dependendo da radiao incidente, o coeficiente de

temperatura pode inclusive assumir valores positivos, ou seja, o painel pode produzir

mais potncia para temperaturas superiores aos 25C convencionais[Guilherme13]

[2].

Outra grande vantagem desses mdulos diz respeito sensibilidade aos

efeitos de sombreamento, pois dependendo do posicionamento das fitas e da

direo do sombreamento, a potncia produzida por esses painis ser menos

afetada que seus equivalentes cristalinos.

2.3 Baterias

Fontes convencionais de energia podem armazenar energia na forma de

carvo, petrleo, gs natural, represas dgua, entre outros, e assim combinar a

14

gerao com o consumo. O grande desafio das fontes alternativas de energia

como a solar e a elica est justamente no fato que o consumo no se d

necessariamente no momento da gerao.

Nos sistemas interligados a rede, as fontes alternativas estaro produzindo

energia sempre que os recursos estiverem disponveis (sol, vento, etc.), enquanto

que as fontes tradicionais atuaro quando a energia gerada no for suficiente para

atender a carga. Nos sistemas autnomos, as fontes convencionais no esto

disponveis, sendo assim necessrio armazenar a energia para o uso posterior,

podendo ser adotados sistemas de bombeamento dgua, hidrognio, fly-wheels,

entre diversas outras formas, porm a soluo mais amplamente divulgada e

adotada o uso de baterias devido a sua boa relao preo-eficincia.

A clula eletroqumica a unidade responsvel pelo processo de

acumulao de energia propriamente dito das baterias. So formadas

basicamente por dois eletrodos isolados de diferentes polaridades (positivo e

negativo) imersos num meio eletroltico. No processo de descarga, o material ativo

dos eletrodos reage quimicamente com o eletrlito liberando energia eltrica.

Durante processo de carga aplicada uma tenso superior dos eletrodos, assim

os eltrons fluiro na direo contrria e a reao qumica inversa ocorrer,

consumindo energia. Como as clulas possuem uma tenso nominal baixa para a

maioria das aplicaes, na maioria dos casos uma bateria constituda por diversas

clulas associadas em srie ou paralelo, formando nveis de tenso e capacidade

adequados. A Figura 2.1 abaixo mostra um esquema simplificado de uma clula.

Figura 2.1 Esquema de uma Clula Eletroqumica

15

Como os processos de carga/descarga no so totalmente reversveis,

medida que as descargas ocorrerem, a vida til da bateria reduzida. observado

que quanto maior for a profundidade da descarga, mais a sua vida til ser

sacrificada, ou seja, caso se deseje que o nvel de ciclos de uma bateria seja o

maior possvel, devero ser realizadas apenas descargas fracas. A vida til de uma

bateria definida como o tempo mdio em que a bateria levar a possuir apenas

80% da sua capacidade nominal quando completamente carregada, levando em

conta descargas dirias de 20%.

As baterias de chumbo-cido so as mais comumente utilizadas nos sistemas

fotovoltaicos e podem ser divididas em trs tipos principais: midas, de gel e

seladas.

As baterias midas so bastante utilizadas em automveis, e devido grande

difuso tm o custo mais baixo, podendo fornecer uma alta corrente num curto

perodo de tempo. Caso se opte por utilizar esse tipo em sistemas fotovoltaicos, o

ideal limitar seu nvel de descarga em apenas 10% para que no se torne

rapidamente inutilizvel, o que implicaria um projeto envolvendo uma grande

quantidade/capacidade de baterias. Tambm so fabricadas baterias midas

especiais para aplicaes solares, estas so produzidas de modo a maximizar a sua

vida til, atingindo 1.000 ciclos para descargas de 20%. recomendado que os

controladores de carga protejam as baterias contra descargas acima dos 50%.

2.4 Controladores de Carga

Para que um banco de baterias seja carregado, necessrio que a tenso

de carga seja sempre superior tenso da bateria, caso contrrio as baterias

enviaro energia para o sistema. Essa tenso no deve ser superior a um

determinado limite, uma vez que cargas muito rpidas diminuem a vida til das

baterias, havendo um ponto timo de funcionamento. Tambm importante

monitorar para que descargas muito profundas no ocorram, pois dependendo da

intensidade, podem causar danos irreversveis s baterias.

Assim, necessrio um mecanismo que controle a tenso a ser aplicada no

banco de baterias, e que no permita a circulao de corrente para os painis. Os

16

controladores de carga utilizam diodos de bloqueio que no permitem a circulao

de corrente reversa, em geral possuem uma chave que desliga a carga caso a

tenso baixe a determinado nvel, e podem diferir no modo de proteo das

baterias contra sobre cargas basicamente atravs de trs formas: desligando o

circuito dos geradores, curto-circuitando os painis fotovoltaicos, ou ainda, atravs

de um mecanismo MPP.

Nos controladores tipo srie, uma chave logo aps os painis fotovoltaicos

permite desconectar o sistema quando as baterias esto plenamente carregadas,

como mostrado na Figura 2.1.

Figura 2.1 - Funcionamento de um Controlador Srie

Os controladores tipo paralelo possuem uma chave na entrada dos

geradores fotovoltaicos, assim quando a tenso na bateria atinge sua tenso

mxima, os painis so curto-circuitados, como mostrado na Figura 2.2. Esse

mtodo consome menos energia e mais eficiente com as baterias, sendo o mais

comumente utilizado.

Figura 2.2 Funcionamento de um Controlador Paralelo

Como nos controladores tipo srie e paralelo a tenso da bateria que

determina o ponto de operao do sistema, em geral a operao se d fora do

17

ponto de mxima potncia na maior parte do tempo. Nos controladores com um

sistema de rastreio do MPP, um conversor CC-CC conectado logo na sada dos

painis fotovoltaicos, e atravs de um sistema de rastreio, determinado o ponto

timo de operao, sendo a sada do conversor ajustada para a tenso de carga

da bateria, como mostrado na Figura 2.3. Devido a sua maior complexidade, esses

controladores so bem mais caros, e tambm devido s perdas no conversor CC-

CC, normalmente so adotados apenas para os sistemas com potncia instalada

superior a 500W.

Figura 2.3 - Funcionamento de um Controlador com MPP

2.5 Inversores

Inversores so equipamentos que convertem energia eltrica de corrente

contnua para corrente alternada, sendo por isso tambm conhecidos como

conversores CC-CA. A maioria dos equipamentos eltricos que utilizamos no nosso

dia-a-dia so alimentados em corrente alternada, compatvel com a energia da

rede eltrica que chega em nossas casas. Tambm so produzidos aparelhos

especiais que podem ser conectados diretamente em corrente contnua (como a

produzida nos painis fotovoltaicos ou armazenada nas baterias), porm como so

mais raros, em geral so demasiadamente caros e como sua produo limitada,

muitas vezes no so to eficientes.

A energia eltrica em corrente alternada na forma em que encontrada na

rede eltrica assemelha-se muito a uma senide, assim, a maioria dos aparelhos so

projetados para receber uma alimentao ao menos prxima a essa forma de

onda. No entanto, alguns equipamentos, especialmente os eletrnicos, possuem

um retificador de onda, assim, seu desempenho no ser muito afetado pela forma

da onda de entrada. J outros aparelhos mais sensveis, como mquinas eltricas,

18

podem ter seu funcionamento prejudicado e a vida til reduzida caso sejam

conectadas a formas de onda muito distorcidas das senoidais.

Podemos classificar os inversores quanto forma de onda de sada, sendo os

principais tipos: onda quadrada; senoidal modificada ou retangular; e senoidal

pura. Observamos que h uma oferta grande de inversores de onda retangular no

site [Guilherme14]Deal Extreme (www.dealextreme.com) a preos bastante

convidativos, [Guilherme15]projetados provavelmente para se conectar aparelhos

eletrnicos no carro, podendo ser aplicados aos sistemas fotovoltaicos

dependendo do tipo de carga a ser conectada. A Figura 2.1 mostra claramente as

diferenas entre as formas de onda. Observe que a forma de onda retangular

sensivelmente mais prxima da senide que os de onda quadrada[Guilherme16], o

que a torna mais adequada para mais aplicaes. Os inversores de onda

retangular so tambm conhecidos comercialmente como de onda trapezoidal ou

senoidal modificada.

Figura 2.1 Formas de onda tpicas de inversores

19

O circuito bsico de um inversor monofsico apresentado na Figura 2.2,

onde atravs de chaveamentos alterna-se a tenso de entrada. Os inversores mais

complexos, ditos PWM (Pulse-Width-Modulated), possuem um chaveamento com

larguras de pulso variveis, o que permite uma tenso de sada bastante prxima

de uma senide, com um baixo nvel de harmnicos. Nos modelos mais simples,

como os de onda quadrada ou retangular, os pulsos possuem sempre a mesma

largura.

Figura 2.2 Circuito bsico de um inversor

A Figura 2.3 mostra a curva caracterstica de inversores senoidais, num grfico

de rendimento versus carga relativa (Potncia Consumida sobre a Potncia

Nominal do inversor). Podemos facilmente observar que um inversor

superdimensionado, no ser apenas mais caro e mais pesado, tambm

apresentar um rendimento consideravelmente inferior do que um dimensionado

corretamente.

Figura 2.3 Curva caracterstica para diversos modelos de inversorFONTE: Greenpro, 2004

20

[Guilherme17]Como no presente projeto sero utilizados inversores de onda

retangular, provvel que sua curva caracterstica seja bastante diferente da

mostrada na Figura 2.3. Num ensaio realizado em laboratrio, foi montado um

circuito para medir a potncia de entrada e de sada em vrios casos de carga

puramente resistiva. Utilizando uma fonte de corrente contnua, um inversor de

200W, um osciloscpio, uma ponteira de prova de corrente com sensor hall e

lmpadas incandescentes de 40, 60, 150 e 200W, como mostrado no esquema da

Figura 2.4, foram obtidas as medidas da Tabela 2.1.

Figura 2.4 Circuito montado para determinar a curva caracterstica do inversor

Tenso Entrada Corrente EntradaTenso Sada

RMS

Corrente Sada

RMS

Carga

Conectada

12 V 0,3 A 119,5 V 0 A 0 W12 V 3,2 A 114,0 V 0,297 A 40 W12 V 4,8 A 112,5 V 0,457 A 60 W12 V 6,0 A 111,5 V 0,575 A 80 W12 V 7,8 A 109,5 V 0,739 A 100 W12 V 8,9 A 108,0 V 0,843 A 120 W12 V 10,6 A 105,5 V 0,998 A 140 W12 V 11,4 A 103,5 V 1,07 A 150 W12 V 11,7 A 103,0 V 1,10 A 160 W12 V 13,0 A 99,5 V 1,23 A 180 W12 V 13,7 A 97,5 V 1,30 A 190 W12 V 14,9->13,5A 88->86V 1,43->1,40A 200 W12 V 14,9->13,4 93->86V 1,43->1,37A 210 W

Tabela 2.1 Dados do inversor coletados no laboratrio

Foi utilizado um osciloscpio Tektronix modelo TDS 2014, uma ponteira de

prova de corrente AC/CC da marca Fluke, modelo 80i-110s, e uma fonte da marca

Suplitec, modelo FA 6020, 0-60V, 0-20A, ajustada para 12V. A Figura 2.5 abaixo

21

mostra a forma de onda da tenso medida no osciloscpio para o caso sem

ligao de cargas.

Figura 2.5 Tenso de sada sem carga

Pelos dados coletados, fcil perceber que o inversor possui um consumo

intrnseco de 3,6 W, medido quando ligado sem alimentar nenhuma carga. Para

potncias nominais iguais ou superiores nominal do inversor, este no apresenta

um comportamento desejvel, diminuindo gradativamente a potncia de entrada

e de sada. Vale ressaltar que para os dois ltimos dados coletados (200 e 210W),

no esperamos o sistema estabilizar a fim de poupar o equipamento.

Para levantar a curva caracterstica do inversor, calculamos o rendimento de

converso para cada ponto pela frmula mostrada abaixo:

entradaentrada

sadasada

entrada

sada

IV

IV=

P

P=

A fim de obter um grfico mais claro e tambm devido ausncia de

medidas para uma carga nominal entre 0 e 40W, no foram utilizados nem o

primeiro nem os 2 ltimos pontos devido a suas caractersticas peculiares. Com o

auxlio do MatLab foi possvel plotar o grfico mostrado na Figura 2.6, do rendimento

do inversor considerado em relao carga relativa (potncia conectada dividido

pelos 200W da potncia nominal). Os pontos em + so os valores medidos, e a

linha desenhada uma aproximao polinomial de 3 grau.

22

Figura 2.6 Curva de rendimento do Inversor de onda retangular

facilmente perceptvel que a equao polinomial de 3 grau representa

uma boa aproximao das nossas medidas, e que at valores em 80% da carga

nominal, so obtidos valores bastante interessantes de eficincia. Assim, iremos

projetar os inversores para trabalharem sempre entre 20 e 80% de seu valor nominal.

Foram obtidos os seguintes coeficientes modelados atravs do comando Polyfit no

Matlab para a eficincia () do sistema em funo da carga relativa (x):

0.81720.53111.10920.5284 233 +x+xx(x)=(x)p

O valor mdio do rendimento para os limites anteriormente descritos,

obtido aplicando o teorema do valor mdio, como mostrado abaixo:

( )

0.80

0.20

23 0.81720.53111.10920.52842080

1dx)+x+xx(=

Resolvendo essa simples integral, temos que:

23

0.80

0.20

234

0.81722

0.53113

1.10924

0.528460

1

x+

x+

xx=

0.862

Ser adotado ento o valor de 86% nos clculos como o valor de rendimento

dos inversores DX dimensionados no presente projeto.

24

3 Alternativas de Iluminao

Neste captulo sero analisadas trs possveis alternativas para a iluminao

da casa: a utilizao de lmpadas incandescentes, lmpadas fluorescentes

compactas e pequenas placas de LEDs.

Graas ao auxlio do pesquisador Ricardo Ficara e ao apoio do Laboratrio

de Iluminao do Centro de Pesquisas de Energia Eltrica (CEPEL), foi possvel o uso

de um equipamento para o presente trabalho, que forneceu a quantidade de

lumens gerada por cada luminria, bem como a potncia consumida e a corrente

circulante para uma determinada tenso aplicada. O ensaio consistia em inserir a

luminria numa grande esfera reflexiva, onde havia[Guilherme18] sensores capazes

de converter luminosidade em corrente eltrica, permitindo assim que

equipamentos eletrnicos pudessem fornecer uma medida bastante precisa da

quantidade total de lumens produzida pela luminria, como esquematizado na

Figura 3.1.

Figura 3.1 Funcionamento da esfera de medies

Foi realizado um ensaio com a placa de LEDS de 2,88V, uma lmpada

eletrnica da Osram de 15W nominais e uma outra lmpada incandescente da

Osram de 60W, e assim, foram obtidos os resultados apresentados na Tabela 3.1.

Luminria Tenso Aplicada Fluxo Luminoso Potncia Corrente

Placa de LEDs 12 VCC 106 lm 3,06 W 255 mA

25

FluorescenteCompacta

127 VCA 864 lm 14,8 W 212 mA

Incandescente 127 VCA 714 lm 61,4 W 484 mATabela 3.1 Dados das luminrias coletados no laboratrio

Um modo de calcular a eficincia de lmpadas dividindo a quantidade de

lumens produzida pela potncia consumida. Assim, foram calculados cerca de 35

lm/W para a placa de LEDs, 58 lm/W na lmpada fluorescente e 12 lm/W no caso

da luminria incandescente. A Figura 3.2 mostra um grfico comparativo da

eficincia das lmpadas em questo.

Figura 3.2 Eficincia das lmpadas ensaiadas

A grande vantagem da placa de LEDs consiste no fato ser alimentado

diretamente em 12V (descartando a necessidade e as perdas de um inversor),

possuir a menor potncia e poder ser facilmente direcionado. Em alguns casos,

pode ser desejvel iluminar uma rea extensa ao invs de um ponto localizado,

como por exemplo, numa sala ou numa cozinha, assim torna-se interessante a

utilizao de uma luminria refletora junto com a placa de LEDs. Optamos pelo

modelo encontrado venda no site DealExtreme devido ao seu baixo consumo e

preo, se comparado aos similares disponveis no Brasil. Possveis incmodos em

adquiri-las devero ser compensadas pela sua longa vida til. A placa utilizada no

ensaio mostrada na Figura 3.3 abaixo.

26

Figura 3.3 Placa de 48 LEDs

As lmpadas incandescentes so as mais facilmente encontradas no

mercado brasileiro, porm possuem a desvantagem de serem alimentadas em

corrente alternada, uma curta vida til, alm de uma altssima[Guilherme19]

ineficincia. No ensaio realizado, apesar de termos utilizado uma lmpada

incandescente de 60W, ela produziu apenas 80% da quantidade de lumens da

lmpada fluorescente ensaiada, que possua um consumo 4 vezes menor.

Lmpadas fluorescentes compactas - tambm chamadas de eletrnicas -

so encontradas com facilidade no Brasil, e assim como as incandescentes no

apresentam grandes dificuldades na instalao/reparo, e tambm so alimentadas

em corrente alternada. A grande vantagem que entre todas as lmpadas

pesquisadas, estas foram as que apresentaram a maior eficincia. O ponto

negativo que modelos com potncia inferiores a 10W no so facilmente

encontrados. O ensaio foi realizado com a lmpada da Aram de 15W, mostrada na

Figura 3.4.

27

Figura 3.4 Lmpada Eletrnica Aram 15W

Nos captulos seguintes, sero projetados sistemas utilizando a lmpada

eletrnica e a placa de LEDs ensaiada. Devido ao alto consumo e grande

ineficincia das lmpadas incandescentes, descartou-se a sua possvel utilizao

nos sistemas fotovoltaicos projetados.

28

4 Projeto de Iluminao em 12V

Foram realizados testes na casa com a placa de 48 LEDs alimentada por uma

bateria de 12V (corrente contnua), e foi verificado que a mesma iluminava de

maneira satisfatria, desde que bem posicionada.

4.1 Clculo do Consumo Dirio

Como se trata de uma casa para veraneio, os consumos relativos aos meses

de vero e de inverno sero significativamente diferentes, e por isso faremos duas

estimativas de consumo. Adotamos apenas uma luminria por ambiente, pois

apesar do fluxo luminoso da placa de LEDs ser bastante concentrado,

consideramos que a mesma no ficar fixa, podendo ser direcionada para onde

haja[Guilherme20] necessidade.

Para os meses do vero, foi considerado que a casa estar com todos os

cmodos plenamente ocupados. A Tabela 4.1 abaixo mostra o consumo estimado

pelo autor para os meses de vero em cada ambiente adotando essa luminria de

LEDs:

Ambiente QuantidadePotncia Nominal

(W)Horas de uso/Dia

Consumo Dirio /

(W.h)

Varanda 1 2,88 6 17,28Sala 1 2,88 3 8,64Cozinha 1 2,88 3 8,64Quarto 1 1 2,88 1 2,88Quarto 2 1 2,88 1 2,88Quarto 3 1 2,88 1 2,88Quarto Sute 1 2,88 1 2,88Banheiro Sute 1 2,88 2 5,76BanheiroComum

1 2,88 2 5,76

Tabela 4.1- Consumo estimado no vero usando LEDs

Assim, possvel estimar um consumo dirio em Wh para os meses de vero

em:

29

Wh=++++++++,=Cvero 57,65,765,762,882,882,882,888,648,642817

Durante o inverno, a casa muito menos utilizada, assim ser considerado

que apenas a metade dos quartos ser utilizada e se passar menos tempo na

cozinha e nos banheiros do que durante o vero. A Tabela 4.2 abaixo mostra o

consumo estimado pelo autor para os meses de inverno:


(W)Horas de uso/Dia

Consumo Dirio

/(W.h)

Varanda 1 2,88 6 17,28Sala 1 2,88 3 8,64Cozinha 1 2,88 2 5,76Quarto 1 1 2,88 1 2,88Quarto 2 1 2,88 0 0Quarto 3 1 2,88 0 0Quarto Sute 1 2,88 1 2,88Banheiro Sute 1 2,88 1 2,88BanheiroComum

1 2,88 1 2,88

Tabela 4.2 Consumo estimado no inverno usando LEDS

Assim o consumo dirio para os meses de inverno estimado em:

Wh=++++++++,=Cinverno 43,22,882,882,88002,885,768,642817

A potncia total instalada na casa ser dada por:

W,==Pinstalada 922592,88

4.2 Dimensionamento da Baterias

Como as baterias a serem dimensionadas no so de ciclo profundo, ser

considerada uma descarga diria de 20%. Uma vez que se trata de uma casa de

veraneio, bastante clara e com diversas janelas em todos os cmodos (exceo

aos banheiros), ser suposto que o consumo se dar sempre noite (pior caso,

quando no h carregamento das mesmas). Assim, para o caso do vero, a

energia nominal mnima das baterias dever ser:

30

Wh=Wh

=Ebateria 2880.2

57,6

E durante o inverno:

Wh=Wh

=Ebateria 2160.2

43,2

Como a mesma bateria dever suprir energia para as cargas durante o

vero e o inverno, ser utilizado o valor mais crtico, de 288Wh. Considerando que

sero utilizadas baterias com tenso nominal de 12V (mais facilmente encontradas

no mercado), tem-se que sua capacidade ser dada por:

Ah=Wh

=Cbateria 2412

288

Aproximando a descarga diria (20%) da bateria em 4h, a partir de uma

simples regra de trs teremos que a taxa de descarga completa se dar em 20h.

Ser necessrio uma bateria do tipo 20C com 24A.h de capacidade, ou melhor. A

partir da tabela para modelos FNC, nota-se que a bateria FNC 12260-C, com uma

Capacidade Nominal de 26Ah atender bem s nossas necessidades.

4.3 Dimensionamento dos Painis Fotovoltaicos

Os clculos aqui realizados sero feitos levando em conta os painis

disponibilizados pelo Laboratrio de Fontes Alternativas de Energia, ou seja, as

placas fotovoltaicas de filme fino da BP Solarex, modelo MST-20LV, de 20W nominais.

Outros dados relevantes de placa esto apresentados na Tabela 2.1.

A partir do programa Google Earth, obtivemos uma latitude aproximada de

271623 ' Sul e longitude de 583244 ' Oeste para o Pouso da Cajaba, local onde ser

instalado o sistema fotovoltaico. Pesquisando por esses valores no sistema de dados

Sundata (www.cresesb.cepel.br), encontra-se 3 localidades prximas: Ilha

Guaba, Angra dos Reis e Ubatuba. A Figura 4.1 mostra um grfico com as

31

radiaes solares dirias mdias mensais para cada localidade, fornecido pelo

programa para uma inclinao de 0.

Figura 4.1 Radiao diria mdia mensal para cada localidadeFONTE: SunData/CRESESB, 2010

Para o dimensionamento dos nossos painis fotovoltaicos, ser considerado o

ms com a menor incidncia solar durante o vero e o inverno (pior caso),

garantindo assim o pleno funcionamento do sistema durante todos os meses do

ano. A Tabela 4.1 mostra as localidades, sua distncia at o Pouso da Cajaba e os

menores ndices de radiao durante o vero e durante o inverno.

LocalidadeDistncia

(km)

Menor Radiao Diria Mdia

no Vero (khw/ m2.dia)Menor Radiao Diria Mdia no

Inverno (khw/ m2.dia)

Ilha Guaba 36,8 4,75 3,31Angra dosReis

38 4,53 3,06

Ubatuba 56,2 4,28 2,94Tabela 4.1 Radiao diria mdia por localidade

facilmente observvel que a maior incidncia solar se d justamente nos

meses mais quentes do ano (entre novembro e maro), onde provavelmente o

32

consumo de energia ser maior (alta temporada). Alterando a inclinao dos

painis solares pode-se obter uma distribuio de radiao solar mensal mais

uniforme, como foi apresentado no Captulo 2.

Como no h um histrico de medies de radiao solar no Pouso da

Cajaba, para efeito de clculo, ser utilizado um valor mdio das 3 localidades

mais prximas para o pior caso durante o vero e durante o inverno:

diakwhm++

=Radiaos

vero 4,523

4,284,534,75

diakwhm++

=Radiaos

inverno 3,103

2,943,063,31

Assim, tem-se cerca de 4,52 horas de sol pleno equivalente por dia no ms

mais crtico do vero, e cerca de 3,10 horas de sol pleno equivalente por dia no ms

mais crtico do inverno.

Agora ser calculada a potncia mnima do sistema sem levar em conta as

perdas, que deve ser suficiente para suprir o consumo dirio nesses meses, tanto no

caso do vero, quanto do inverno:

W,=Potnciavero 74124,5257,6

W,=Potnciainverno 94133,1043,2

Como os painis devem ser dimensionados para o sistema funcionar

corretamente tanto durante o vero quanto durante o inverno, utilizaremos o pior

caso, ou seja, os 13,94W. Aproximando o total de perdas nos cabeamentos em 6%,

perdas de converso de energia na bateria (energia eltrica-qumica-eltrica) de

10% e outros 10% de perdas por desajuste (no utilizao de um MPPT), tem-se que

a potncia mnima necessria ser:

33

( ) ( ) ( )W,

,=Potncianecessria 93170,1010,1010,061

9413

E a quantidade de painis:

Painismnimo

= 17 ,9320 0,90

Ou seja, caso se deseje fazer um projeto apenas para a iluminao da casa

usando LEDs, seria necessrio apenas uma nica placa fotovoltaica de 20W

nominais. A Reserva de Inverno (em %) dada por:

54111009317

931720,

,

,=Rinverno

Para calcular o Excesso de Vero, ser preciso primeiro saber a potncia

consumida durante esse perodo considerando as perdas. Assim, temos:

( ) ( ) ( )W,

,=Potnciavero 73160,1010,1010,061

7412

O Excesso de Vero (em %) dado ento:

55191007316

731620,

,

,=Evero

Pode-se perceber claramente que h uma tolerncia para se utilizar as

lmpadas em perodos maiores do que o que dimensionamos, especialmente

durante o vero, sem comprometer o bom funcionamento do sistema nem a vida

til das baterias.

4.4 Dimensionamento do Controlador de Carga

O controlador de carga dever permitir que as baterias sejam carregadas do

modo timo, proteg-las contra sobrecargas, prevenir descargas indesejveis,

proteger descargas profundas, alm de informar o estado de carga da bateria.

Com isso tudo, aumenta-se em muito a vida til das baterias e se protege os painis

fotovoltaicos contra correntes reversas.

34

De acordo com a Tabela 1 da Recon (Anexo 1), pode-se utilizar um fator de

demanda mximo igual a 0,8 para este caso, assim tem-se uma potncia aparente

mxima demandada igual a:

VA,,=Dmxima 742092250,8

E a corrente mxima da carga, ser ento:

A,

=I mxima 1,7312

7420

4.5 Esquema de Ligao[Guilherme21]

A Figura 4.1 abaixo apresenta as ligaes eltricas a serem efetuadas entre

os componentes anteriormente descritos.

Figura 4.1 Esquema das ligaes para o projeto de iluminao em LEDs

A Figura 4.2 mostra a planta da casa e o cabeamento eltrico a ser

efetuado, com os pontos de luz representando as posies aproximadas onde as

luminrias de LEDs devero ser alocadas.

35

Figura 4.2 Planta de instalao para o projeto de iluminao em LEDs

A instalao pode ser dividida em 3 circuitos: (1) um abrangendo os quartos

de solteiro; (2) outro abrangendo as reas comuns (cozinha, sala e varanda); e

finalmente, outro mais (3), a sute e o banheiro social. Podemos observar que cada

circuito abrange exatamente 3 luminrias. Para calcular a carga de cada circuito,

utilizaremos o valor de 3,06 W por luminria, como foi apresentado no captulo 3,

Tabela 3.1. A Tabela 4.1 mostra as especificidades para cada circuito.

Circuito Potncia (VA) Tenso (V) Corrente (A) Cabo (mm2)

Quartos (1) 9,18 12 0,765 2,5Comuns (2) 9,18 12 0,765 2,5Sute (3) 9,18 12 0,765 2,5

Tabela 4.1 Quadro de cargas para o projeto de iluminao em LEDs

Utilizaremos uma queda de tenso mxima admissvel de 1,5% desde o

quadro de distribuio at a carga. Assim, a seo mnima do condutor ser dada

pela frmula:

36

...)((%)

12 22112 ++

= lplpVe

S

Onde:

S a seo mnima do condutor em mm2;

a resistividade do cobre (=1/58 .mm2/m);

l a distncia at a carga em m;

e(%) a queda de tenso aceitvel em %;

V a tenso em Volts;

p a potncia em W.

Para um p direito de 3 metros para a casa, e aproximando algumas

distncias com base na planta apresentada, teremos a seguinte memria de

clculo para cada circuito:

Circuito 1:

3,06 x 15,5 = 47,43

3,06 x 15,5 = 47,43

3,06 x 10,5 = 32,13

( ) 0273,213,3243,4743,4712015,0

1

58

12

2++

S

A bitola com fabricao comercial existente mais prxima vale:

Sescolhido=2,5mm2

Circuito 2:

3,06 x 9,0 = 27,54

3,06 x 10,5 = 32,13

3,06 x 15,0 = 45,90

( ) 6853,190,4513,3254,2712015,0

1

58

12

2++

S

37

.:. Sescolhido=2,5mm2

Circuito 3:

3,06 x 7,0 = 21,42

3,06 x 14,5 = 44,37

3,06 x 18,5 = 56,61

( ) 9540,161,5637,4442,2112015,0

1

58

12

2++

S


38

5 Projeto de Iluminao com Lmpadas Eletrnicas

Para esse projeto de iluminao, foi levado em considerao a Lmpada

eletrnica de 15W da Aram, que possui um fluxo luminoso equivalente ao de uma

incandescente de 70W. A grande vantagem dessa lmpada que ela facilmente

encontrada em lojas no Brasil a um preo bastante acessvel e possui uma tima

relao lumens produzidos/watt consumido. Mesmo sabendo que os modelos em

220V no so to populares no estado do Rio de Janeiro,optou-se por adotar esse

modelo devido maior oferta de inversores para esse nvel de tenso.


Como essa lmpada apresenta um fluxo luminoso bem mais disperso se

comparada com os LEDs, ser adotada apenas uma em cada cmodo, apesar

dela ser fixa. Novamente, devido grande diferena do consumo nos meses de

vero e de inverno, sero realizadas duas estimativas de consumo. A Tabela 5.1

apresenta o consumo estimado para os meses de vero:


(W)Horas de uso/Dia

Consumo Dirio

/(W.h)

Varanda 1 15 6 90Sala 1 15 3 45Cozinha 1 15 3 45Quarto 1 1 15 1 15Quarto 2 1 15 1 15Quarto 3 1 15 1 15Quarto Sute 1 15 1 15Banheiro Sute 1 15 2 30BanheiroComum

1 15 2 30

Tabela 5.1 - Consumo estimado no vero usando lmpadas eletrnicas

O consumo dirio estimado para o vero ser ento dado por:

Wh=++++++++=Cvero 300303015151515454590

39

Durante o inverno, ser considerado que apenas a metade dos quartos ser

utilizada, e tambm que se gastar menos tempo na cozinha e nos banheiros. A

Tabela 5.2 abaixo mostra o consumo estimado para os meses de inverno:


(W)Horas de uso/Dia

Consumo Dirio

/(W.h)

Varanda 1 15 6 90Sala 1 15 3 45Cozinha 1 15 2 30Quarto 1 1 15 1 15Quarto 2 1 15 0 0Quarto 3 1 15 0 0Quarto Sute 1 15 1 15Banheiro Sute 1 15 1 15BanheiroComum

1 15 1 15

Tabela 5.2 - Consumo estimado no inverno usando lmpadas eletrnicas

Assim, o consumo dirio estimado para o inverno ser:

Wh=++++++++=Cinverno 2251515150015304590

Calculando a potncia total instalada:

W==Pinstalada 135915

5.2 Dimensionamento da Baterias

Como explicado anteriormente, uma descarga diria mdia de 20% ser

considerada, ento a energia demandada pelas baterias (levando em conta o pior

caso, um consumo de 300W.h), e a capacidade (levando em conta os 12V de

tenso terminal) sero dadas por:

Wh=Wh

=Ebateria 15000.2

300

Ah=Wh

=Cbateria 12512

1500

40


simples regra de trs, tem-se que a taxa de descarga completa se dar em 20h.

Deve-se procurar por uma bateria do tipo 20C com 125A.h de capacidade, ou

melhor. Sem levar em conta os preos, a partir da tabela para modelos FNC,

percebemos que a bateria FNC 121500-C, com 150Ah de capacidade, atenderia

bem esse caso.


Pelos mesmos motivos anteriormente citados, ser levado em conta o

modelo BP Solarex, MST-20LV para o dimensionamento dos painis. Como calculado

anteriormente, h cerca de 4,52 horas de sol pleno equivalente por dia no ms mais

crtico do vero, e cerca de 3,10 horas de sol pleno equivalente por dia no ms mais

crtico do inverno no Pouso da Cajaba.

Calculando a potncia mnima do sistema sem levar em conta as perdas,

que deve ser suficiente para suprir o consumo dirio nesses meses, tanto no caso do

vero, quanto do inverno, tem-se que:

W,=Potnciavero 37664,52300

W,=Potnciainverno 58723,10225

Levando em conta o pior caso, ou seja, durante o inverno,ser preciso que o

sistema fornea pelo menos 72,58W para as cargas, sem contar as perdas.

Como os painis devem ser dimensionados para o sistema funcionar

corretamente tanto durante o vero quanto durante o inverno, ser utilizado o pior

caso, ou seja, os 72,58W. Levando em conta as perdas nos cabeamentos, as perdas

de converso de energia e as perdas por desajuste (no utilizao de um MPPT),

tem-se que a potncia instalada necessria ser:

41

( ) ( ) ( )W,


5872

E o nmero de painis necessrios:

Painismnimo

= 95 , 3220 4,77

Assim, seriam necessrios 5 painis de 20W apenas para suprir a demanda

das lmpadas fluorescentes, dispostos na horizontal.

A Reserva de Inverno (em %) dada por:

4,911003295

3295100

,

,=Rinverno

Calculando a potncia necessria durante o vero, temos:

( ) ( ) ( )W,

,=Potnciavero 17870,1010,1010,061

3766

O Excesso de Vero (em %) dado ento:

72141001787

1787100,

,

,=Evero

Durante o ms mais crtico do inverno, tem-se uma reserva de segurana de

cerca de apenas 5%. Nesse caso, deve-se tomar cuidado em no utilizar as

lmpadas durante mais tempo do que o que foi dimensionado, sob risco de reduzir

a vida til das baterias. J durante o vero h uma tolerncia considervel para se

utilizar as lmpadas em perodos maiores do que o que foi dimensionado.

5.4 Dimensionamento do Inversor

Uma vez que a energia produzida pelos painis fotovoltaicos e armazenada

na bateria em corrente contnua e se deseja conectar uma carga de corrente

alternada, torna-se necessrio o uso de um inversor. De acordo com a Tabela 1 da

Recon, como nossa unidade residencial ter uma potncia total instalada inferior a

42

1kVA, deveremos adotar um fator de demanda igual a 0,80. Assim, nossa demanda

mxima igual a:

W==Demandamxima 1081350,80

Logo, nosso inversor dever possuir uma potncia real mnima de

108W[Guilherme22], uma entrada em corrente contnua de 12V e uma sada em

220V (corrente alternada). Em geral, os inversores so dimensionados funo da

potncia aparente, utilizando o fator de potncia de 0.60 nominal das lmpadas

eletrnicas, teremos uma potncia aparente mxima dada por:

VA==fp

P=S 180

0,60

108

Os valores de potncia em Watts apresentados nos inversores Deal Extreme

referem-se potncia mxima do inversor, caso alimentando uma carga

puramente resistiva, o que no o caso. Assim, ser utilizada sempre a potncia

aparente para o seu dimensionamento. Como foi apresentado no Captulo 2, a fim

de que os inversores de onda retangular trabalhem com o mximo possvel de

eficincia, deveremos dimension-lo de modo que ele trabalhe com no mximo

80% da sua potncia nominal. H diversos modelos com preos bastante acessveis

disponveis no site www.dealextreme.com, como mostrado na Figura 5.1 com

300W.

Figura 5.1 Inversor de 300W, 12VDC-220VAC

43

Adotando o inversor dimensionado podemos calcular a carga relativa do

inversor quando operando a plena carga,:

%06100300

180==Putilizada

Assim, se estar trabalhando sempre abaixo dos 80%, o que garante uma

confortvel eficincia de converso e uma reserva estratgica, caso novas cargas

venham a ser ligadas. Caso nenhuma carga esteja conectada, recomendado

que o boto do inversor seja desligado, evitando assim as perdas intrnsecas do

equipamento.

5.5 Dimensionamento do Controlador de Carga

O controlador de carga dever permitir que as baterias sejam carregadas do

modo timo, proteg-las contra sobrecargas, prevenir descargas indesejveis,

proteger descargas profundas, alm de informar o estado de carga da bateria.

Com isso tudo, aumenta-se em muito a vida til das baterias e se protege os painis

fotovoltaicos contra correntes reversas.

Como foi calculada uma demanda mxima de 108W, e de acordo com o

fabricante um fator de potncia igual a 0,60, teremos uma potncia aparente igual

a:

VA==fp

P=S 180

0,60

108[Guilherme23]

E uma corrente mxima no lado de corrente alternada de:

A=V

S=I mxima 0,82220

180

Considerando um rendimento de aproximadamente 86.2% (como calculado

no captulo 2), teremos a seguinte corrente no lado de corrente contnua:

A,=V

IV=I mxima 4417120.862

0,82220

12

220220

44

5.6 Esquema de Ligao

A Figura 5.1 abaixo mostra o esquema das ligaes a serem efetuadas para

o projeto de iluminao em 220V.

Figura 5.1 - Esquema das ligaes para o projeto de iluminao em 220V

A planta de instalao eltrica para esse projeto apresentada na Figura

5.2, sendo que todos os cabos mostrados no esquema abaixo trabalham com uma

tenso de 220V.

45

Figura 5.2 Planta de instalao para o projeto de iluminao em 220V

O projeto foi dividido em 3 circuitos, como numerado na planta.

Considerando o fator de potncia nominal das luminrias igual a 0,60, utilizaremos

uma potncia aparente de 25VA para cada ponto de luz (15/0,6). Assim, montamos

a Tabela 5.1.

Circuito Potncia (VA) Tenso (V) Corrente (A) Cabo (mm2)

Quartos (1a, 1b e1c)

75 220 0,341 1,5

Comuns (2a, 2b e2c)

75 220 0,341 1,5

Sute (3a, 3b, e 3c) 75 220 0,341 1,5Tabela 5.1 Quadro de cargas para o projeto de iluminao em 220V

Para a queda de tenso, ser utilizada a frmula abaixo, e admitida uma

queda tenso mxima de 1,5% entre o quadro de distribuio e as cargas.

...)((%)

12 22112 ++

= lplpVe

S

46

Onde:

S a seo mnima do condutor em mm2;

a resistividade do cobre (=1/58 .mm2/m);

l a distncia at a carga em m;

e(%) a queda de tenso aceitvel em %;

V a tenso em Volts;

p a potncia em W.

Supondo um p direito de 3 metros para a casa, foram calculadas as

seguintes sees mnimas para cada circuito:

Circuito 1:

25 x 15,5 = 387,5

25 x 15,5 = 387,5

25 x 10,5 = 262,5

( ) 0493,05,2625,3875,387220015,0

1

58

12

2++

S

Como a menor seo de condutores encontrada no mercado de 1,5 mm2,

tem-se que pare esse caso: Sescolhido=1,5mm2

Circuito 2:

25 x 9,0 = 225

25 x 10,5 = 262,5

25 x 15,0 = 375

( ) 0409,03755,262225220015,0

1

58

12

2++

S


Circuito 3:

25 x 7,0 = 175

47

25 x 14,5 = 362,5

25 x 18,5 = 462,5

( ) 0475,05,4625,362175220015,0

1

58

12

2++

S


48

6 Projeto de Tomadas para Uso Geral

Ser feito um estudo de cargas comuns a residncias possveis de serem

conectadas num sistema fotovoltaico de pequeno porte. Para tal, foram

considerados um aparelho de som pequeno, um netbook, carregadores de celular,

um pequeno ventilador e um refrigerador de pequeno porte.


Uma boa estimativa para o nmero de horas que se utiliza cada aparelho

numa residncia domstica est apresentada nos anexos desse trabalho, na tabela

Procel/Cepel/Eletrobrs, tambm disponvel na internet. Para o presente projeto,

procurou-se utilizar aparelhos que possussem um baixo consumo, mas que ao

mesmo tempo tivessem um preo condizente. Foram considerados o aparelho de

som modelo AZ-302S da Philips, com um consumo nominal de 15W; o Netbook da

Asus, que de acordo com medies feitas no laboratrio, possui um consumo

mdio de 25W; e um ventilador de 30cm de dimetro, modelo V-03 da Mondial

(Figura 6.1).

Figura 6.1 Ventilador de 30cm, Mondial V-03

Para o frigobar, foi utilizada a tabela disponvel no site do INMETRO, e

resolveu-se considerar o modelo RE 80 da Electrolux com 79 litros, devido a sua alta

eficincia e facilidade de se encontrar no mercado. Pode-se determinar seu

49

consumo dirio levando-se em conta o consumo mensal fornecido (17,4 kW.h),

conforme mostrado abaixo:

Consumodirio

=Consumo

mensal

30 dias=

17 . 40030

= 580 W . h

Novamente, devido s diferenas de consumo nos meses de vero e de

inverno, os dois casos foram considerados. A Tabela 6.1 abaixo mostra as demandas

por aparelho durante o vero.

Aparelho QuantidadePotncia Nominal

(W)Horas de uso/Dia

Consumo Dirio

/(W.h)

Som Pequeno 1 15 4 60Netbook 1 25 3 75Carregador deCelular

2 2,5 1 5

Ventilador Pequeno 1 45 8 360Frigobar 1 65 intermitente

[Guilherme24]580

Tabela 6.1 Consumo de cada aparelho para o caso geral no vero

Assim, pode-se estimar um consumo dirio no vero em:

Wh=++++=Cvero 108058036057560

Como no faz sentido fazer um projeto levando em conta apenas as

tomadas, sero somadas a carga calculada nos captulos 4 e 5 para os projetos de

iluminao utilizando LEDs e lmpadas fluorescentes compactas, respectivamente.

Assim tem-se que:

Wh=+=C LEDs+vero 1137,657,61080

Wh=+=C tesFluorescen+vero 13803001080

Durante o inverno, ser considerado que no se ligar o ventilador, se

passar menos tempo no computador e o aparelho de som ser menos utilizado,

pode-se ento estimar o consumo como mostrado na Tabela 6.2 abaixo:

50

Aparelho QuantidadePotncia Nominal

(W)Horas de uso/Dia

Consumo Dirio

/(W.h)

Som Pequeno 1 15 3 45Netbook 1 25 2 50Carregador deCelular

2 2,5 1 5

Ventilador Pequeno 1 45 0 0Frigobar 1 65 ? 580

Tabela 6.2 - Consumo de cada aparelho para o caso geral no inverno

O consumo dirio estimado desses equipamentos para o inverno ser ento

dado por:

Wh=+++=Cinverno 67558055045

Novamente levando em conta as lmpadas, tem-se os seguintes valores de

consumo nos meses de inverno:

Wh=+=C LEDs+inverno 718,243,2675

Wh=+=C tesFluorescen+inverno 900225675

A potncia total instalada ir depender da alternativa adotada, se utilizar

as placas de LEDs ou as lmpadas fluorescentes compactas, considerando os

valores calculados nos captulos 4 e 5, teremos:

( ) ( ) W,=,+++++=P LEDs+instalada 92180922565452,522515

( ) ( ) W=+++++=P tesFluorescen+instalada 29013565452,522515

6.2 Dimensionamento das Baterias

Para levar em conta os dois cenrios, um utilizando como alternativa de

iluminao as placas de LEDs, e outro, as lmpadas fluorescentes compactas, ser

necessrio realizar dois dimensionamentos distintos, um para cada caso.

51

6.2.1 Projeto utilizando a placa de LEDs

Nesse tpico ser feito o dimensionamento das baterias levando em conta

que se optou por adotar as placas de LEDs como luminrias. Considerando uma

descarga diria mdia de 20%, calcula-se a energia demandada e a capacidade

das baterias (de 12V) para o pior caso, ou seja, durante o vero:

Wh=Wh

=Ebateria 56880.2

1137,6

AhWh

=Cbateria 47412

5688


simples regra de trs tem-se que a taxa de descarga completa se dar em 35h.

Deve-se procurar por uma bateria do tipo C35 com 474Ah de capacidade, ou

melhor. Como no h fabricao comercial em grande escala de baterias com

mais de 200Ah, pode-se optar por utilizar um banco de baterias em paralelo. Quatro

baterias do modelo FNC 121200-C com uma capacidade nominal de 120Ah de 12V

atendem as necessidades.

6.2.2 Projeto utilizando lmpadas eletrnicas

As baterias sero dimensionadas considerando um projeto com as lmpadas

fluorescentes compactas de 15W. Para uma descarga diria mdia de 20%, a

energia demandada e a capacidade das baterias (de 12V) para o pior caso sero

dados por:

Wh=Wh

=Ebateria 69000.2

1380

AhWh

=Cbateria 57512

6900


simples regra de trs, tem-se que a taxa de descarga completa se dar em 35h.

52

Deve-se procurar uma bateria do tipo C35 com 575Ah de capacidade, ou melhor.

Como no h fabricao comercial em grande escala de baterias com mais de

200Ah, pode-se optar por utilizar um banco de baterias em paralelo. Cinco baterias

do modelo FNC 121200-C com uma capacidade nominal de 120Ah de 12V

atendem as nossas necessidades.


Como foi mostrado nos itens anteriores, os projetos utilizando placas de LEDs e

lmpadas fluorescentes compactas so bastante distintos, cada um possuindo

necessidades diferentes de gerao, assim, o dimensionamento dos painis

fotovoltaicos ser feito levando em considerao cada caso especfico.

6.3.1 Dimensionamento utilizando placas de LEDs

Levando em conta as horas de sol pleno equivalente calculada

anteriormente, cerca de 4,52 horas de sol pleno equivalente por dia no ms mais

crtico do vero, e cerca de 3,10 horas de sol pleno equivalente por dia no ms mais

crtico do inverno.

A potncia mnima do sistema sem levar em conta as perdas, necessria

para suprir o consumo dirio nesses meses, tanto no caso do vero, quanto do

inverno ser dada por:

W,=Potnciavero 682514,521137,6

W,=Potnciainverno 682313,10718,2

Nesse caso, a situao mais crtica acontece durante o vero. Os painis

sero dimensionados para esse caso. Levando em conta as perdas nos

cabeamentos, as perdas de converso de energia e as perdas por desajuste (no

utilizao de um MPPT), tem-se que a potncia instalada necessria ser:

( ) ( ) ( )W,


68251

53

E nmero de painis necessrios:

531620330,55 ,=Painismnimo

Assim, so necessrios 17 painis de 20W para suprir o consumo dos

aparelhos e dos LEDs. A Reserva no Vero (em %) dada por:

2,8610055330

55330340

,

,=Rvero

Para o clculo do Excesso no Inverno, preciso conhecer a Potncia

Necessria no inverno, que dada por:

( ) ( ) ( )W,

,=Potnciainverno 283040,1010,1010,061

68231

O Excesso no Inverno (em %) dado ento:

741110028304

28304340,

,

,=Einverno

Como facilmente observvel, o consumo durante o vero est bem

prximo do limite, e para no comprometer o bom funcionamento do sistema, no

se deve utilizar mais cargas do que o projetado. J durante o inverno, h um

excesso considervel de energia, sendo possvel a conexo de mais cargas ou

aumentar o tempo de uso das demais.

6.3.2 Dimensionamento utilizando lmpadas eletrnicas

Caso se opte por um projeto considerando as lmpadas fluorescentes

compactas, tem-se que a potncia mnima diria para os meses crticos, sem levar

em conta as perdas, ser dada por:

W,=Potnciavero 313054,521380

W,=Potnciainverno 322903,10900

54

facilmente observvel que a situao mais crtica se d durante o vero.

Para esse caso, e levando em conta as perdas nos cabeamentos, as perdas de

converso de energia e as perdas por desajuste (no utilizao de um MPPT), tem-

se que a potncia mnima de gerao ser dada por:

( ) ( ) ( )W,


31305

E nmero de painis necessrios:

Painismnimo

= 400 , 9820 20 , 05

Sero precisos 21 painis para suprir com folga os aparelhos mencionados e

as lmpadas eletrnicas. A Reserva no Vero (em %) calculada como sendo:

4,7410098400

98400420

,

,=Rvero

Antes de calcularmos o Excesso no Inverno, precisa-se estimar a Potncia

Necessria no inverno, dada por:

( ) ( ) ( )W,

,=Potnciainverno 293810,1010,1010,061

32290

O Excesso no Inverno (em %) dado ento:

151010029381

29381420,

,

,=Einverno

H um excesso de energia bastante considervel no inverno, sendo possvel

a conexo de outras cargas ou aumentar o tempo de utilizao das demais

durante essa estao.

6.4 Dimensionamento do Inversor

Novamente sero realizados dois dimensionamentos: um considerando a

alternativa de se utilizar placas de LEDs como iluminao, e o outro, utilizando as

lmpadas fluorescentes compactas. Especialmente no caso de aparelhos ligados

55

tomada, importante deixar uma folga considervel ao dimensionar um inversor a

fim de suportar com tranqilidade um possvel aumento da carga e a corrente de

partida de algumas mquinas.

Vale ressaltar que os inversores a serem dimensionados (disponveis no site

DealExtreme.com) possuem uma forma de onda de sada do tipo retangular, o que

implica que a vida til de algumas mquinas eltricas - como o ventilador ou o

frigobar ser reduzida, devido quantidade de harmnicos envolvida. Aparelhos

eletrnicos como celulares ou laptops possuem um retificador em suas fontes, e so

praticamente insensveis a forma de onda de entrada, dispensando maiores

preocupaes. No est no mbito desse trabalho, mas pode ser til projetar filtros

de harmnicos na entrada de algumas mquinas.[Guilherme25]

6.4.1 Dimensionamento utilizando placas de LEDs

Como a nossa carga referente a pouqussimos aparelhos, ser considerado

um fator de demanda igual a 1, pois a probabilidade de que todos os aparelhos

estejam ligados ao mesmo tempo no desprezvel. Como os LEDs so alimentados

em corrente contnua, eles no entraro no clculo da demanda mxima do

inversor. Considerando um fator de potncia igual a 0,8 para as cargas, tem-se que:

( )VA

++++=Demanda LEDscom 75,9318,0

65452,5225151,00_max_

[Guilherme26]

Como mostrado no captulo 2, o ideal seria que o ponto de operao do

nosso inversor de onda senoidal modificada seja sempre inferior a 80%, a fim de

garantir uma maior eficincia, e tambm uma reserva estratgica. Assim, a

potncia do inversor deveria ser superior a:

W=Pmnima 19,2420,80

193,75

Agora tambm ser preciso levar em considerao as correntes de partida

das mquinas eltricas que o inversor dever suportar. Para tal, ser considerado

que a corrente mnima que o inversor dever suportar sendo igual a corrente de

56

partida das mquinas mais as correntes de regime permanente dos demais

aparelhos. Aproximando a corrente de partida do frigobar e do ventilador como

sendo igual a 5 vezes sua corrente nominal, teremos que a corrente de sada do

inversor dever ser igual a, pelo menos:

( ) ( )A

+=I mnimo 705,2220

5,222515

220

65455,00

+++

Calculando a potncia correspondente a essa corrente, tem-se que:

VA=Pmnima 1,595705,2202

Assim, o pior caso corresponde a corrente necessria para a partida, e o

nosso inversor precisar fornecer uma potncia superior a 595W. Entre os modelos

disponveis no DealExtreme, o inversor com a potncia imediatamente superior de

600W, como mostrado na Figura 6.1. Assim, teramos que a potncia utilizada

durante o regime permanente seria de:

%29,23100600

193,75==Putilizada

Figura 6.1 Inversor de 600W, 12VDC-220VAC

57

6.4.2 Dimensionamento utilizando lmpadas eletrnicas

Novamente ser considerado o fator de demanda dos aparelhos igual a 1 e

o fator de demanda das lmpadas eletrnicas igual a 0,8. O fator de potncia para

lmpadas dado por 0,60 e aproximando o fator de potncia das cargas em 0,80,

tem-se que a demanda mxima durante o regime permanente ser dada por:

( ) ( )VA=+

++++=Demanda tesfluorescencommxima 75,37360,0

1350,8

80,0

65452,5225151,00__

Como explicado e demonstrado anteriormente, deve-se procurar utilizar um

inversor que trabalhe com no mximo 80% de sua potncia nominal, a fim de se

operar nos pontos de alta eficincia e ainda com uma reserva estratgica. Assim,

levando em conta apenas o caso do regime permanente, a potncia nominal

mnima necessria do inversor seria dada por:

W,==Pmnima 753280,80

263

Agora levando em conta as correntes de partida dos aparelhos, tem-se que

a corrente mnima que o inversor precisar suportar ser de:

( ) ( )A

+=I mnimo 195,3220

13580,0

220

5,222515

220

65455,00 +

+++

Calculando a potncia correspondente a essa corrente, tem-se que:

VA=Pmnima 703195,3202

O caso mais crtico considerado novamente para atender a corrente de

partida, entre os modelos disponveis no DealExtreme, o inversor com a potncia

imediatamente superior de 800W, como mostrado na Figura 6.1. A Potncia

utilizada em regime permanente se

Dimensionamento real de sistema fotovoltaico

Engineering

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