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Instalação de sistema de microgeração solarfotovoltaica

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Instalaçãodesistemade

microgeraçãosolarfotovoltaica

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DadosInternacionaisdeCatalogaçãonaPublicação(CIP)

SENAI.ServiçoNacionaldeAprendizagemIndustrialInstalaçãodesistemademicrogeraçãosolarfotovoltaica/SENAI.ServiçoNacionaldeAprendizagemIndustrial.–SãoPaulo:SENAI-SPEditora,2016216p.:il.

IncluireferênciasISBN978-85-8393-586-5

1. Energia solar 2. Sistemas de energia fotovoltaica 3.Eletricidade I. ServiçoNacionaldeAprendizagemIndustrialII.Título.

CDD621.47

Índiceparaocatálogosistemático:

1.Energiasolar621.47

SENAI-SPEditoraAvenidaPaulista,1313,4oandar,01311923,SãoPaulo–SPF.113146.7308|[email protected]|

www.senaispeditora.com.br

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ENERGIA

Instalaçãodesistemade

microgeraçãosolarfotovoltaica

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DepartamentoRegionaldeSãoPauloPresidentePauloSkaf

DiretorRegionalWalterVicioniGonçalves

DiretorTécnicoRicardoFigueiredoTerra

GerentedeEducaçãoJoãoRicardoSantaRosa

ElaboraçãoBenjamimFerreiradeBarrosDenerPioliDeyvisonAlvesdeOliveiraEdsonPereiradosSantosNiloSergioMazieroPetrinReginaldoSaldesCostaRodolfoPinheirodaSilvaSilvioLuizAmalfiUlissesVieiradeMoraesJuniorWilkerIassiaDiasdosSantos

RevisãotécnicaNiloSergioMazieroPetrinEdsonPereiradosSantos

OrganizaçãoReginaldoSaldesCosta

DiretoriaSidneiRobertoMazieroPetrin–UnidadeSENAIPirituba–CFP1.63

MaterialdidáticoutilizadonoscursosdoSENAI-SP.

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Apresentação

Com a permanente transformação dos processos produtivos e das formas deor-ganização do trabalho, as demandas por educação profissional multiplicam-se e, sobretudo, se diversificam.

Em sintonia com essa realidade, o SENAI-SP valoriza a educação profissional para o primeiro emprego dirigida a jovens. Privilegia também a qualificação de adultos que buscam um diferencial de qualidade para progredir no mercado de trabalho. E incorpora firmemente o conceito de “educação ao longo de toda a vida”, oferecendo modalidades de formação continuada para profissionais já atuantes. Dessa forma, atende às prioridades estratégicas da Indústria e as prio-ridades sociais do mercado de trabalho.

A instituição trabalha com cursos de longa duração como os cursos de Aprendi-zagem Industrial, os cursos Técnicos e os cursos Superiores de Tecnologia. Ofe-rece também cursos de Formação Inicial e Continuada, com duração variada nas modalidades de Iniciação Profissional, Qualificação Profissional, Especialização Profissional, Aperfeiçoamento Profissional e Pós-Graduação.

Com satisfação, apresentamos ao leitor esta publicação, que integra uma série da SENAI-SP Editora especialmente criada para apoiar os alunos das diversas modalidades.

Walter Vicioni Gonçalves Diretor Regional do SENAI-SP

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5. Sistemas desconectadosdaredeelétrica(off-grid)

ConceitosCaracterísticasecomponentesdosistemaPlanejamentodosistema

ConceitosbásicosdedimensionamentoEsquemadeligaçãoediagramade

instalação

Conceitos

Um sistema off-grid é aquele desconectado da rede, ou seja, não tem contato com a rede de distribuição de eletricidade das concessionárias. São conhecidos também como sistemas isolados.

Encontramos esses sistemas dispostos de dois modos: puro e sem armazenamento.

Característicasecomponentesdosistema

Sistemasautônomos(puros)

Um sistema fotovoltaico puro é aquele que não possui outra forma de geração de eletricidade. Devido ao fato de o sistema só gerar eletricidade nas horas de incidência de luz solar, os sistemas autônomos são dotados de acumuladores que armazenam a energia para os períodos sem Sol, o que acontece todas as noites, e também nos períodos chuvosos ou nublados. Os acumuladores são dimensionados de acordo com a autonomia que o sistema deve ter, e ela varia conforme as condições climatológicas da localidade onde será implantado o sistema fotovoltaico.

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Sistemasautônomossemarmazenamento

São sistemas que funcionam somente durante as horas de sol. Temos como exemplo os sistemas de bombeamento de água. As características das bombas são calculadas levando-se em consideração a necessidade de água e o potencial solar da localidade. O painel fotovoltaico é dimensionado para fornecer energia para a bomba.

Apesar de geralmente não utilizar sistemas de armazenamento elétrico, o arma-zenamento energético é feito na forma de água no reservatório.1

Figura1–Sistemadebombeamentofotovoltaico.

Componentesdeumsistemafotovoltaicoautônomo

Um sistema fotovoltaico autônomo, normalmente, é composto por:

• painel fotovoltaico; • controlador de carga/descarga das baterias; • banco de baterias; • inversor autônomo para cargas em CA; • cargas CC ou CA.

1 O conteúdo sobre conceitos e características dos sistemas off-grid foi elaborado com base no material Sistemas fotovoltaicos: sistemas fotovoltaicos isolados, de autoria da empresa BlueSol.

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Figura2–Circuitodeumsistemafotovoltaicoautônomo.

Painelfotovoltaico

O painel fotovoltaico e sua inclinação e orientação já foram apresentados em capítulos anteriores. Devemos observar o fato que em um sistema autônomo o painel fotovoltaico deve ser de baixa potência, pois trabalha com menor valor de tensão de circuito aberto em horas de pico não trazendo, assim, riscos para a controladora de carga.

Controladoresdecargadasbaterias

São funções do controlador de carga de baterias:

• Proteger as baterias contra sobrecarga e descarga profunda. • Monitorar e limitar as tensões máxima e mínima das baterias. • Maximizar o processo de carga das baterias. • Preservar e garantir maior vida útil das baterias.

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Controledecarga

Controla a sobrecarga das baterias, evitando o superaquecimento (também co-nhecido como “ferver” a bateria), a deterioração, e a destruição das baterias.

Controlededescarga

Controla o descarregamento profundo das baterias (quando há carga CC), que pode prejudicar e até mesmo inutilizar as baterias.

Figura3–Faixadetrabalhodascontroladorasdecarga.

Principais características na escolha das baterias:

• algoritmos Pulse Width Modulation (PWM)/ Maximum Power Point Tracking (MPPT); • capacidade de carga (A); • capacidade de descarga (A); • tensão do sistema (V); • display (sim/não); • sensor de temperatura (sim/não); • timer (não/simples/duplo); • com MPPT; • tensão máxima (V); • potência máxima (W); • parâmetros de operação • LVD (Low Voltage Disconnect) (V);

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• LVR (Low Vari Rack) series (V); • tensão de carregamento (V); • tensão de flutuação (V); • tensão de equalização (V).

ControladorascomunscomPulseWidthModulation(PWM)

Os parâmetros dessa controladora são pré-programados. O status é indicado por leds ou display e não há como alterar essa configuração. A regulação da tensão é feita por chaveamento de transistores, evitando que em horas de pico solar a tensão do módulo danifique a bateria e permitindo apenas a passagem da cor-rente. Esse controlador, por não apresentar tanta tecnologia incorporada, tem o custo mais acessível.

MPPT(MaximumPowerPointTracking)

É um rastreador do ponto de máxima potência. Em dias nublados, ou em caso de sombreamento do arranjo, a corrente é sensivelmente afetada. Esse recurso trabalha na manutenção do valor do produto tensão vezes corrente, já que a primeira não sofre tanta diminuição, e também procura diminuir a resistência interna das células, aproveitando de 15% a 20% mais de energia do sistema. Controladoras com esse recurso praticamente dobram seus custos tornando-as viáveis economicamente apenas em sistemas off-grid acima de 1.500 W.

Modelos de controladoras desse porte são programáveis, possuem sensores de temperatura para evitar transtornos com o banco de baterias, e permitem ajustar os parâmetros de temperatura, tensões de desconexão e reconexão (Low Voltage Disconnect – LVD, Revitalization through Vaporization of Dendrites – RDV), máxima tensão de carga e range de flutuação.

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Figura4–Modelosdecontroladoras.

Bancodebaterias

Um banco de baterias é constituído por uma quantidade calculada de elementos conectados em série e/ou paralelo, que fornecerão a potência demandada pelas cargas no período de autonomia em que devem funcionar, sem receber recarga do arranjo fotovoltaico nos dias sem insolação.

Em sistemas isolados, as baterias têm as seguintes funções:

• Ter autonomia: essa é a função mais importante, a de suprir a energia para

o consumo quando o painel não é capaz de gerar energia suficiente. Isso acontece todas as noites e também nos períodos chuvosos ou nublados, que podem ocorrer durante o dia ou em vários dias. • Estabilizar a tensão: os módulos fotovoltaicos têm uma grande variação de tensão, de acordo a irradiância recebida. A conexão de cargas de consumo diretamente nos módulos pode expô-los a tensões muito altas ou muito baixas para o seu funcionamento. As baterias possuem faixas de tensões mais estreitas que os módulos fotovoltaicos e garantirão uma operação mais uniforme para as cargas. • Fornecer correntes elevadas: a bateria opera como um buff er , fornecendo correntes de partida elevadas. Alguns dispositivos (como motores) requerem altas correntes (de quatro até nove vezes a corrente nominal) para iniciar

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• o seu funcionamento até estabilizarem e demandar correntes mais baixas, • o que ocorre depois de alguns segundos. Outros dispositivos mais vorazes entrarão em funcionamento por curto período de tempo, mas consumirão muita potência. As baterias fornecerão essa alta potência momentânea e serão carregadas lentamente pelo painel fotovoltaico durante o dia.

Bateriasparasistemasfotovoltaicos

As baterias para uso fotovoltaico costumam ser de chumbo ácido ou de níquel cádmio. As baterias de níquel cádmio suportam descargas maiores e têm maior vida útil, mas seu alto custo e baixa disponibilidade as tornam viáveis em sistemas muito específicos que necessitam de alta confiabilidade.

Outros tipos de bateria, como as de íons de lítio, não são viáveis para sistemas fotovoltaicos, devido à capacidade dos bancos de baterias para essa aplicação. É a relação custo-benefício que faz com que as baterias de chumbo ácido sejam aquelas escolhidas para utilização na maioria dos sistemas PV isolados.

Como são as mais utilizadas, as baterias de chumbo ácido serão o objeto do nosso estudo a partir de agora.

Bateriadechumboácido:constituiçãoefuncionamento

As baterias de chumbo ácido são constituídas por células individuais – também chamadas pilhas – com tensão nominal de 2 V cada uma. Nas baterias em monobloco são ligadas em série para alcançar a tensão nominal. Seis células constituem uma bateria de 12 volts. Figura5–Vistaexplodidadeumabateriadechumboácido.Fonte:

JAMESPROVOST,2016.

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Cada célula é constituída basicamente por duas placas de metais diferentes (uma positiva, outra negativa), isoladas por separadores e imersas em uma solução aquosa de ácido sulfúrico (H

2SO

4). As placas são eletrodos de chumbo em for-

mato de grade com a função de segurar a matéria ativa e conduzir a corrente elétrica. É a matéria ativa porosa que armazena a energia, com sua estrutura esponjosa fornecendo área de superfície para a reação eletroquímica. Na bateria carregada, a matéria ativa da placa negativa é o chumbo (Pb) e a matéria ativa da placa positiva é o dióxido de chumbo (PbO

2).

Ao se fechar um circuito, os elétrons fluem do polo negativo para o polo positivo, provocando uma reação química entre as placas e o ácido sulfúrico, que leva à formação de sulfato de chumbo (PbSO

4) nas duas placas – reação chamada

dupla sulfatação. Essa reação consome o ácido, tornando o eletrólito mais aquoso, processo que pode ser medido com um densímetro.

Tabela1–Estadodecargadeumabateriapeladensidadedoeletrólito

QuandoosistemaPVrecarregaabateria,oselétronsfluememsentidocontrário–dopolopositivoparaopolonegativo–revertendoessareaçãoquímica.Oprocessonãoétotalmentereversível,poispequenasquantidadesdesulfatodechumbonãosedissolvem,asulfataçãoaumentaàmedidaqueosciclosdecargaedescargaacontecem,diminuindoacapacidadedabateria.Quantomaiorforessaprofundidadededescarga(oníveldereaçãoquímicaqueaconteceduran

100% (plena carga) 1,225 g/cm•

90% 1,216 g/cm•

80% 1,207 g/cm•

70% 1,198 g/cm•

60% 1,189 g/cm•

50% 1,180 g/cm•

40% 1,171 g/cm•

30% 1,162 g/cm•

20% 1,153 g/cm•

10% 1,444 g/cm•

0% (descarga total) 1,135 g/cm•

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teadescarga,antesqueabateriavolteasercarregada),maiorseráaperdadecapacidade.Comprofundidadesdedescargamenores,maisciclosdecargaedescargaabateriasuportará.

Possibilidade de ciclos em função da profundidade de descarga

0102030 4050607080

Profundidade de descarga (%C20)

Figura6–Possibilidadedeciclosdeumabateriaemfunçãodaprofundidadededescarga.

A resistência interna de uma bateria de chumbo ácido varia de acordo com a carga, sendo maior quando a bateria está descarregada, devido à menor con-centração de ácido no eletrólito e à presença do sulfato de chumbo nas placas. À medida que a bateria vai sendo carregada, a sua resistência interna diminui, fazendo com que a bateria aceite melhor a carga. Por isso, uma bateria com me-nor profundidade de descarga durante o ciclo é recarregada mais rapidamente.

Quando atinge a tensão final de carga nas células, a bateria deve ser desconecta-da do carregador, pois tem início um processo de eletrólise da água presente no eletrólito que leva a dois inconvenientes:

1. Perda de água, o que faz o ácido se concentrar mais, tornando-se nocivo às placas, até a secagem total, que determinaria o fim da bateria. 2. Liberação de oxigênio e hidrogênio. Esse último, mesmo em pequenas pro-porções, torna o ambiente potencialmente explosivo, o que exige com que os bancos de baterias sejam instalados em locais ventilados. O hidrogênio é 14 vezes mais leve que o ar e pode se acumular em frestas.

Estado de carga de uma bateria pela tensão entre os terminais.

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Tabela2–Estadodecargapelatensãoemcircuitoaberto

100%(plenacarga)12,72V

90%12,48V

80%12,42V

70%12,30V

60%12,18V

50%12,06V

40%11,88V

30%11,76V

20%11,58V

10%11,34V

0%(descargatotal)10,50V

Figura7–Bateriadechumboácido.

Outrostiposdebateria

Baterias de lítio

• Controladas eletronicamente. • Alta capacidade de carga e desempenho. • Bom desempenho com descargas profundas. • Vida útil de 10 a 15 anos (ou mais).

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• Sem manutenção. • Usadas em sistemas grid-tie para gestão da energia e backup. • Pouco utilizadas no Brasil.

Baterias VRLA (Valve-Regulated Lead-Acid)

Também conhecidas como “seladas”, as baterias VRLA emitem gases, porém, em quantidades insignificantes. Podem ser instaladas em qualquer posição.

Possuem vida útil de três a cinco anos.

Figura8–BateriaVRLA.Fonte:HDSPR,2016.

Baterias gel

• Utilizam eletrólito viscoso “gel”, retendo-o em contato com as placas.

Baterias AGM (Absorbent Glass Mat)

• Utilizam mantas de fibra de vidro para absorver o eletrólito, mantendo-o no interior da bateria.

Figura9–Bateriacomeletrólitoviscoso.

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Baterias especiais

OPzV (Ortsfeste Panzerplatte Verschlossen)

• Estacionária com placa tubular selada. • Sem manutenção.

OPzS (Ortsfeste Panzerplatte Spezial)

• Estacionária com placa tubular especial. • Manutenção a cada meio ano a três anos. • Elementos de 2 V. • Alta capacidade de carga. • Vida útil de 10 a 15 anos. • Pouco utilizada no Brasil.

OGI (Ortsfeste Gitterplaten)

• Estacionária com placas radiais. • Manutenção a cada três a cinco anos.

CargasCCouCA

As cargas são os consumidores da instalação. São elas que convertem a energia elétrica em outras, como térmica, luminosa, sonora etc. A maioria delas, como os eletrodomésticos, funciona em CA, porém há lâmpadas e outros equipamentos que trabalham em CC.

Planejamentodosistema

Planejamentodosistemasolarautônomo

É necessário fazer uma análise inicial completa do local onde será montado o sistema desconectado, devendo considerar os seguintes itens:

• Coordenadas geográficas. • Possibilidade de sombreamento. • Condições elétricas e físicas atuais do local.

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• Cargas que serão ligadas ao sistema, ressaltando que um sistema off-grid é li-mitado ao uso de cargas mais leves, como iluminação, TVs, computadores e geladeiras. Mesmo nesses casos há possibilidade de termos de dividir circuitos, aumentando, assim, a quantidade de controladora de cargas e inversores. Cargas mais pesadas, como chuveiro, torneiras elétricas, lavadora de pratos, são inviáveis para o sistema desconectado, pois drenariam rapidamente a carga do banco de baterias, sendo este a parte mais cara do sistema. Mesmo durante o dia, a energia é retirada do banco – não faz nunca a passagem direta do módulo para a carga. • O tempo em que as cargas escolhidas ficarão ligadas durante um dia para determinação do consumo diário de energia elétrica. • Profundidade de descarga das baterias, pois quanto mais rasa a descarga, maior a quantidade de baterias que o banco deverá conter. E quanto mais profunda, menor a vida útil das baterias. O ideal é um ajuste para que o banco tenha no máximo 40% de descarga por ciclo. • Qual a tolerância de dias sem sol para o sistema? Quanto mais dias sem sol, mais lento terá que ser o semiciclo de descarga, resultando em maior capacidade do banco, maior quantidade de baterias e mais custo para o sistema. A distância entre os módulos e as controladoras, pois o sistema off-grid envolve altas correntes, o que potencializa os efeitos da perda de carga e promove o aumento do custo final do projeto.

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Referências

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______. Sistemas fotovoltaicos: inversores interativos.

______. Sistemas fotovoltaicos: sistemas fotovoltaicos isolados.

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ENGENHARIA CIVIL.NET. Disponível em: <http://www.engenhariacivil.com/ israel-robots-autonomos-manutencao-central-solar>. Acesso em: 1 jul. 2016.

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FRONIUS GALVO. Disponível em: <http://www.sicesbrasil.com.br/images/ prodotti/fotovoltaico/inversores_fronius/DBL_Fronius%20Galvo_PB_1213_ as14_low.pdf>. Acesso em: 5 ago. 2016.

GENERAL CABLE. Cabos para instalação de energia solar fotovoltaica. Dis-ponível em: <http://www.generalcable.com/assets/documents/LATAM%20Do-cuments/Brazil%20Site/Catalogo-ExZHellent-Solar.pdf?ext=.pdf>. Acesso em: 15 ago. 2016.

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JAMES PROVOST. Car battery cutaway. Disponível em: <http://jamesprovost.com/ portfolio/car-battery-cutaway>. Acesso em: 15 ago. 2016. NOTA TÉCNICA DEA 19/14 - Inserção da Geração Fotovoltaica Distribuída no Brasil – Condicionantes e Impactos. Rio de Janeiro, outubro de 2014. Disponível em: <http://www.epe.gov.br/mercado/Documents/S%C3%A9rie%20Estudos%20 de%20Energia/DEA%2019%20-%20%20Inser%C3%A7%C3%A3o%20da%20 Gera%C3%A7%C3%A3o%20Fotovoltaica%20Distribu%C3%ADda%20no%20 Brasil%20-%20Condicionantes%20e%20Impactos%20VF%20%20(Revisada). pdf>. Acesso em: 5 ago. 2016.

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SobreoProcobre

Este livro tevo o apoio do Instituto Brasileiro do Cobre (Procobre), instituição sem fins lucrativos que faz parte da Internacional Copper Association (ICA), sediada em Nova York. Líder mundial na promoção do cobre, metal importante para o desenvolvimento da humanidade. O Procobre tem como missão difundir informações sobre os atributos técnicos e científicos do cobre, gerar pes-quisas, desenvolver processos e produtos tecnológicos e criar novos usos para o metal. Seus dois maiores desafios são posicionar a indústria do cobre como um setor fun-damental para responder às necessidades da sociedade e posicionar o cobre como um material que atende às preocupações do desenvolvimento sustentável. Mais in-formações em: <www.procobre.org>.

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ConselhoEditorialPauloSkafWalterVicioniGonçalvesDéboraCyprianoBotelhoRicardoFigueiredoTerraRobertoMonteiroSpadaNeusaMarianii

Editor-chefeRodrigodeFariaeSilva

ProduçãoeditorialLetíciaMendesdeSouza

EdiçãoIzabelRegodeAndradeMoniqueGonçalvesTaniaMano

TraduçãoGênesedeAndrade

PreparaçãoAnaClemente

RevisãoJulianaMuscovick

ProduçãográficaCamilaCattoSirleneNascimentoValquíriaPalma

DiagramaçãoMegaarteDesign

CapaInventumDesign

AdministrativoefinanceiroValériaVanessaEduardoFláviaReginaSouzadeOliveira

ComercialAriovaldoCamarozanoBrunaMataranVolpe

©SENAI-SPEditora,2016

ASENAI-SPEditoraempenhou-seemidentificarecontatartodososresponsáveispelosdireitosautoraisdestelivro.Seporventuraforconstatadaomissãonaidentificaçãodealgummaterial,dispomo-nosaefetuar,futuramente,ospossíveisacertos.