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ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
2379EE2
2º semestre de 2016
Prof. Alceu Ferreira Alves
www.feb.unesp.br/dee/docentes/alceu
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Dimensionamento – orientações
• http://www.neosolar.com.br/aprenda/calculadora
• http://www.sunlab.com.br/Dimensionamento_solar_fotovoltaic
o.htm
• http://www.atomra.com.br/dimensionamento-projeto-solar-
fotovoltaico/
• http://www.portalsolar.com.br/calculo-solar
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Principais etapas do projeto de um SFV• Levantamento adequado do recurso solar disponível
• Definição da localização e configuração do sistema
• Levantamento adequado de demanda e consumo de energia elétrica
• Dimensionamento do gerador fotovoltaico
• Dimensionamento do sistema de armazenamento (SFI)
• Dimensionamento dos equipamentos de condicionamento de potência (SFCR – inversor, SFI – controlador de carga)
*(somente SFV fixos (sem seguimento solar) e sem concentração
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Blocos básicos de um SFV
Sistema isolado para eletrificação individual
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Blocos básicos de um SFV
Sistema isolado para eletrificação com minirrede
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Blocos básicos de um SFV
Sistema isolado para bombeamento de água
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Blocos básicos de um SFV
Microgeração (ou mini) conectada à Rede
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Controlador de Carga Convencional
• Utilizado para SFI com armazenamento
• Função: garantir a vida útil das baterias
• Funcionamento – estabelecer os pontos onde o carregamento da bateria é interrompido (flutuação) e quando a carga será desconectada para evitar “descarga profunda”
• Circuito composto basicamente de comparadores e chaves (transistores)
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Controlador de Carga com MPPT
• MPPT = Maximum Power Point Tracking – Rastreamento do Ponto de Máxima Potência (ou SPPM) – “Seguimento”
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Controlador de Carga MPPT
• MPPT = Maximum Power Point Tracking – Rastreamento do Ponto de Máxima Potência (ou SPPM)
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Recálculo do Nº de Módulos em Série
• Caso se use um controlador MPPT, o número de módulos em série deve ser tal que a tensão de saída do painel fotovoltaico esteja dentro da faixa ótima de operação do controlador recomendada pelo fabricante
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Cálculo do Nº de Strings
• Para o cálculo do número de fileiras em paralelo, deve-se considerar a potência total do gerador (Pm) e a potência de cada fileira
*Pmod é potência (Wp) nominal do módulo adotado
• Para confirmação da adequação do painel fotovoltaico com o controlador, verificar se a corrente do painel (Im – já calculada), está de acordo com as especificações do controlador MPPT
Nº de fileiras em paralelo
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Dimensionamento do Banco de Baterias
• Conhecida a energia solicitada pelas cargas a cada mês, escolhe-se o valor máximo de potência para a capacidade do sistema de acumulação
• Na medida em que há maior disponibilidade de radiação solar em um dado local (maior número de HSP), estabelece-se um número menor de dias para o valor da autonomia
• Em regiões com longos períodos de chuva, sugere-se um número maior de dias de autonomia
• No Brasil é usual autonomia entre 2 e 4 dias
• No exterior recomendam 2 a 3 dias de autonomia para cargas comuns e 5 a 7 dias para cargas consideradas críticas
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• Máxima Profundidade de Descarga → depende da radiação solar da região, do tipo de bateria, do modo como a descarga é realizada, etc.
• Para todas as baterias, é comum a característica de que quanto maior a profundidade de descarga, menor sua vida útil.
Dimensionamento do Banco de Baterias
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• Considerar os limites máximos do controlador, convencional ou MPPT, com relação à tensão CC do sistema e aos níveis de corrente (tanto na entrada do painel fotovoltaico quanto na saída para as baterias)
• Corrente máxima do controlador (Ic) → considerar a corrente de curto-circuito do painel fotovoltaico, acrescida de um fator mínimo de segurança de 25% (assume-se que o painel pode receber uma irradiância de até 1.250 W/m2 , ainda que por curtos períodos).
Dimensionamento do Controlador de Carga
*Há controladores que permitem operação em paralelo
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• Máxima tensão de operação do controlador (Vcmax) → sempre maior que a tensão máxima de saída do painel PV:
Dimensionamento do Controlador de Carga
VocTmin é a tensão de circuito aberto do módulo, na menor temperatura
de operação prevista
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• Demanda máxima de potência para dimensionamento do inversor
→ é preciso definir ou estimar o período do dia em que os equipamentos estarão funcionando, para o levantamento da curva de carga.
• Potência do inversor → deve ser igual ou superior à potência máxima da curva de carga
Dimensionamento do Inversor – SFI
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Neste exemplo, a potência do inversor deve ser no mínimo de 4.5 kW.
Dimensionamento do Inversor
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Dimensionamento do Inversor
• De forma mais conservadora, a potência do inversor pode ser especificada igual ou superior à potência instalada, se houver grande probabilidade de que estas possam operar simultaneamente
• Recomendam-se inversores que apresentem alta eficiência em toda a sua faixa de operação, principalmente quando se prevê que a operação das cargas, na maior parte do tempo, corresponderá a uma pequena fração da potência nominal do inversor
• Para cargas que demandem potência de pico (ex.: partida de motor), é preciso definir a capacidade de surto necessária no inversor
• Deve-se ainda observar considerações relacionadas à temperatura de operação
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Dimensionamento do Inversor
• Tensão de entrada CC → igual à tensão CC do sistema (tensão do banco de baterias)
• Tensão de saída CA → normalmente 127V ou 220V, 60 Hz
• Inversores com potências até 5kW → normalmente monofásicos
• Alguns modelos permitem a operação em paralelo
• Podem ser integrados para criar circuitos bifásicos ou trifásicos
• É recomendável a utilização de inversores de forma de onda senoidal (Resoluções da ANEEL normalmente exigem onda senoidal pura)
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Resolução Normativa ANEEL Nº 493/2012
• Estabelece os procedimentos e as condições de fornecimento por meio de Microssistema Isolado de Geração e Distribuição de Energia Elétrica – MIGDI ou Sistema Individual de Geração de Energia Elétrica com Fonte Intermitente – SIGFI
• O fornecimento por meio de MIGDI ou SIGFI deve ser realizado em corrente alternada (CA – senoidal), observando-se os níveis de tensão predominantes no Município onde estiver localizada a unidade consumidora, conforme padrões de referência vigentes
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• As unidades consumidoras atendidas por meio de MIGDI ou SIGFI devem ser enquadradas conforme as disponibilidades mensais de energia explicitadas na tabela a seguir
Resolução Normativa ANEEL Nº 493/2012
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• O dimensionamento de um microssistema isolado de geração e distribuição de energia elétrica – MIGDI segue a mesma lógica do dimensionamento do SIGFI
• As demandas das unidades consumidoras são somadas e o dimensionamento do sistema é feito para a carga total
• As perdas na rede de distribuição devem ser computadas, se for o caso
• Tipicamente, este tipo de atendimento destina-se a uma aldeia ou vilarejo contemplando algumas dezenas de residências num raio máximo de cerca de 1 km
Resolução Normativa ANEEL Nº 493/2012
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• MIGDI exige projeto específico para a edificação onde ficarão os componentes eletrônicos, proteções e banco de baterias, assim como para a estrutura de suporte do arranjo fotovoltaico
• MIGDI, quando instalado pela concessionária de energia, exige um Sistema de Coleta de Dados Operacionais – SCD
• SCD → medição, registro, armazenamento e disponibilização dos dados de operação
• No caso do MIGDI, deverá ser verificada ainda a necessidade de licenças ambientais
Resolução Normativa ANEEL Nº 493/2012
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• Sistemas fotovoltaicos para bombeamento (SBFV) possuem amplo potencial de aplicação no Brasil
• As ferramentas de dimensionamento permitem a inclusão de uma bomba d’água como uma carga adicional (CA ou CC)
• Mais usual → sistemas com acoplamento direto
• É constituído de gerador fotovoltaico, equipamento de controle e condicionamento de potência (sistema que, além de regular o acionamento da bomba de acordo com o nível de água, pode conter um seguidor de ponto de máxima potência), grupo motobomba, reservatório de água e pontos de consumo
Sistemas FV para Bombeamento de Água
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Sistemas FV para Bombeamento de Água
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• Em sistemas com acoplamento direto não são utilizadas baterias para o armazenamento de energia elétrica nos horários de maior radiação
• Nos períodos de maior radiação a água é bombeada e armazenada em reservatórios
• O projetista deve obter informações sobre altura manométrica e vazão do poço, quando for o caso, além do recurso solar
• Primeira etapa → estimativa do consumo diário de água, sendo equivalente ao consumo de energia elétrica em um projeto para eletrificação
• Especifica-se a bomba, reservatórios e tubulações e, em seguida, dimensiona-se o sistema de geração FV
Sistemas FV para Bombeamento de Água
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Dimensionamento de Inversor em SFCR
• Depende da potência do gerador FV;
• Depende da tecnologia e características elétricas dos módulos escolhidos para compor o gerador;
• Primeiro passo: definir a topologia de instalação escolhida:
� inversor central
� inversor descentralizado
� Microinversor
� instalação interna ou externa, etc.
• Escolha do fabricante → credibilidade, qualidade dos produtos, garantia, manutenção, peças de reposição
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Dimensionamento de Inversor em SFCR
• Os módulos FV vêm apresentando acentuada redução de custo nos últimos anos
• Os inversores, apesar de também terem apresentado redução de custos, não têm acompanhado o mesmo nível de redução
• Necessidade → otimizar ao máximo o inversor utilizado, reduzindo o custo final de energia produzida
• O dimensionamento do sistema deve ser realizado de maneira que o inversor não trabalhe por muito tempo em potências demasiadamente abaixo da nominal, nem seja sobrecarregado
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Dimensionamento de Inversor em SFCR
• Utilizando-se um inversor de menor capacidade (e, portanto, menor custo) para um mesmo gerador FV sem impactar na quantidade de energia e na confiabilidade do sistema, a energia gerada tende a ser mais barata
• Novamente, de uma forma conservadora, a potência do inversor pode ser igual à potência nominal da geração FV
• Devido ao coeficiente de temperatura negativo das tecnologias FV (redução da potência com o aumento de temperatura), costuma-se dimensionar o gerador FV com potência nominal superior à do inversor
• Isso leva ao subdimensionamento dos inversores de SFCRs
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Dimensionamento de Inversor em SFCR
• Inversores com MPPT podem limitar a potência de entrada em situações em que a potência gerada pelo painel FV ultrapassa a máxima potência de entrada do equipamento
• Em situações onde os inversores de SFCRs podem estar sujeitos a elevadas temperaturas, recomenda-se uma potência do inversor igual ou superior à potência do gerador fotovoltaico
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Dimensionamento de Inversor em SFCR
Fator de Dimensionamento de Inversores (FDI)
• Representa a relação entre a potência nominal CA do inversor e a potência de pico do gerador FV:
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Dimensionamento de Inversor em SFCR
Fator de Dimensionamento de Inversores (FDI)
• A potência do gerador FV e do inversor devem ser ajustadas de modo que o FDI do inversor tenha a melhor relação custo/benefício
• O FDI depende do inversor selecionado, da tecnologia do módulo FV, da orientação e inclinação do painel, além das condições ambientais, como temperatura e radiação local
• A otimização do FDI exige simulação numérica, que deve ser realizada utilizando-se dados horários de radiação e temperatura ambiente
• FDI recomendados por fabricantes → na faixa de 0,75 a 0,85 (limite superior de 1,05)
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Dimensionamento de Inversor em SFCR
Tensão de Entrada – Define-se a partir das características do painel e do inversor, conforme características oferecidas pelo fabricante em seus catálogos
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Dimensionamento de Inversor em SFCR
Outros Aspectos Importantes
• Faixa de Operação MPPT
• Corrente CC máxima
• Otimização da eficiência (reduz custos)
• String Box – quadro de interconexão e dispositivos de proteção
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Dimensionamento de Inversor em SFCR