Projeto Fotovoltaico

Projeto Fotovoltaico

O conjunto de elementos necessários para converter diretamente a energia solar em energia elétrica é denominado de projeto fotovoltaico (PFV). Seus principais componentes são os painéis solares fotovoltaicos e inversores, incluindo dispositivos de controle e proteção, estrutura de suporte, fiação e em alguns casos dispositivos de armazenamento (baterias). São classificados em sistemas isolados e conectados à rede (ABNT, 2008).

Classificação

Sistemas Fotovoltaicos Domésticos Isolados ou Autônomos

Sistemas que fornecem energia elétrica para iluminação, refrigeração e outras cargas de baixa potência para famílias e aldeias que estão em locais isolados. Isto é, não estão conectados à rede de distribuição de eletricidade da concessionária local (IEA, 2010).

Sistemas Fotovoltaicos não Domésticos Isolados

Os sistemas fotovoltaicos não domésticos isolados foram as primeiras aplicações comerciais para sistemas terrestres e fornecem energia para uma vasta gama de aplicações, tais como refrigeração, telecomunicações, vacinas, bombeamento de água, ajudas à navegação e estações de medição de dados metereológicos. Nestes tipos de aplicações, pequenas quantidades de eletricidade têm um alto valor, tornando o SFV comercialmente competitivo com outras fontes geradoras de pequeno porte (IEA, 2010).

Os sistemas isolados (domésticos e não domésticos) são compostos por painel fotovoltaico, controlador de carga, inversor e banco de baterias necessárias para o armazenamento e fornecimento da energia gerada nos períodos nos quais não há insolação. O controlador de carga é o aparelho eletrônico que faz o controle e monitoramento da carga e/ou descarga do banco de baterias e o inversor é o responsável por converter a corrente contínua (CC), proveniente do painel fotovoltaico ou do banco de baterias, em corrente alternada (CA), com características adequadas para a alimentação de aparelhos elétricos e eletrônicos.

A Figura abaixo apresenta a constituição básica de um projeto fotovoltaico isolado.

Constituição básica do Projeto Fotovoltaico isolado
Constituição básica do sistema fotovoltaico isolado

Sistemas Híbridos

Os sistemas híbridos apresentam várias fontes de geração de energia, como por exemplo, turbinas eólicas, geração diesel, módulos fotovoltaicos, entre outros. Por esse motivo, o sistema torna-se complexo, necessitando do controle de todas as fontes para que haja o máximo de eficiência na entrega de energia ao usuário. Geralmente são de médio a grande porte e por trabalharem com cargas em corrente contínua, também necessitam de um inversor.

Projetos Fotovoltaicos Centralizados Conectados à Rede Elétrica

Sistemas que desempenham funções de estações centralizadas de energia, ou seja, fornecem exclusivamente energia elétrica à rede, semelhante a uma usina geradora convencional. A planta normalmente é situada distante do ponto de consumo e necessita de linhas de transmissão para levar a energia gerada à rede elétrica dos consumidores.

Projetos Fotovoltaicos Distribuídos Conectados à Rede Elétrica

Sistemas que possuem geração de energia elétrica de forma descentralizada, ou seja, junto ao ponto de consumo. Neste caso, o consumidor pode utilizar a energia elétrica convencional para complementar a quantidade de energia demandada por sua edificação, caso haja um aumento de consumo, ou ainda vender à concessionária a energia excedente gerada pelo projeto fotovoltaico, no caso de utilizar menos energia do que a gerada pelo SFV.

Tanto os sistemas centralizados, quanto os distribuídos, por estarem conectados à rede, não necessitam de banco de baterias e são constituídos basicamente de painel fotovoltaico e inversor, além de componentes de comando e proteção, como chaves,  fusíveis e disjuntores. A Figura 39 ilustra a constituição básica deste tipo de sistema no qual o inversor, ao detectar a presença da rede, converte a corrente contínua (CC) vinda do painel fotovoltaico em corrente alternada (CA), com o mesmo padrão de tensão, frequência e fase da rede elétrica à qual está conectado.

Constituição básica do projeto fotovoltaico conectado à rede
Constituição básica do projeto fotovoltaico conectado à rede

Nos sistemas fotovoltaicos distribuídos as perdas por transmissão e distribuição são minimizadas e a geração e consumo de energia têm coincidência espacial, o que os torna mais eficientes do ponto de vista energético. Além disso, por estarem integrados à edificação não necessitam de área extra para sua instalação, e ainda, dependendo do perfil de consumo, pode haver uma coincidência temporal com a geração solar.

O sistema de distribuição da concessionária elétrica pode ser aliviado com instalações solares fotovoltaicas integradas a prédios comerciais e interligadas à rede elétrica pública, pois em geral os picos de consumo e insolação máxima são muitas vezes coincidentes. Conseqüentemente há economia de energia, aumento de vida útil dos transformadores e de outros componentes do sistema de distribuição, além da redução no risco de blackouts.

Componentes de um Projeto Fotovoltaico conectado à Rede Elétrica

Um sistema fotovoltaico com ligação à rede é composto, normalmente, pelos  seguintes componentes, conforme representado na Figura abaixo.

Estrutura principal de um projeto fotovoltaico conectado à rede
Estrutura principal de um projeto fotovoltaico conectado à rede
  1. Painel fotovoltaico: vários módulos dispostos em série ou em paralelo, ou em uma combinação série/paralelo, com estruturas de suporte e montagem, que agrupados correspondem à unidade de geração de energia, convertendo a energia solar em eletricidade.
  2. Caixa de junção (equipada com dispositivos de proteção)
  3. Cabos CC – CA
  4. Inversor (CC-CA): utilizado para a conversão da corrente contínua gerada pelo arranjo fotovoltaico em corrente alternada, de forma a atender aos padrões da rede elétrica local.
  5. Disjuntor e aparelho de medição: o disjuntor é um aparelho de proteção contra sobrecargas elétricas e o medidor tem a função de medir a quantidade de energia consumida e gerada pela instalação fotovoltaica.

Módulos Fotovoltaicos

A fabricação dos módulos fotovoltaicos é feita através do encadeamento de várias células solares, devido à baixa potência das mesmas, que em geral varia de 1 a 3W, com uma tensão menor que 1 V. Em uma ligação em série, os contatos frontais de cada célula (pólo negativo) são soldados aos contatos posteriores da célula seguinte (pólo positivo), conforme se verá na Figura 41. A maioria dos módulos comercializados é composta por 36 células de silício cristalino, para aplicações de 12 V.

Interligação em série de células cristalinas solares
Interligação em série de células cristalinas solares

A quantidade de módulos conectados em série irá determinar a tensão de operação do sistema em corrente contínua (CC). A corrente do gerador solar é definida pela conexão em paralelo de painéis individuais ou de strings (conjunto de módulos conectados em série). A potência instalada, normalmente especificada em CC, é dada pela soma da potência nominal dos módulos individuais.

Os módulos fotovoltaicos são projetados e fabricados para operar entre 25 e 30 anos, devendo acomodar as células e as respectivas ligações elétricas, proporcionar suporte estrutural e proteção contra danos mecânicos e agentes ambientais como sol, chuva e ventos.

Quando um módulo é exposto à radiação solar apresenta em seus terminais uma tensão contínua. Os valores de tensão (V), corrente (A) e potência (W) são especificados pelo fabricante e são medidos sob determinadas condições, denominadas “condições-padrão dereferência para ensaio”, simbolizadas por STC.

Os módulos constituídos de células de silício cristalino são normalmente rígidos e os de filme fino podem ser construídos sobre vidro rígido, ou sobre substratos flexíveis, constituindo uma opção para instalação sobre superfícies curvas, como coberturas ou fachadas de edificações, além de serem relativamente mais leves.

Atualmente estão disponíveis no comércio módulos baseados em silício cristalino, que apresentam eficiência de conversão da energia solar em energia elétrica, na faixa de 11 a  16%. A tecnologia de filme fino apresenta eficiência na faixa 6 a 11%, dependendo do material semicondutor empregado (a-Si, CdTe, CIS ou CIGS).

Características Elétricas dos Módulos Fotovoltaicos Cristalinos

A potência dos módulos é geralmente dada pela potência de pico, expressa em Wp, mas nem sempre esta é suficiente para uma comparação entre diferentes tipos de módulos. Sendo assim, outros parâmetros precisam ser analisados para a seleção do tipo de módulo mais apropriado para cada tipo de sistema.

Dentre estes parâmetros, pode-se destacar:

A condição padrão para se obter as curvas características dos módulos é definida por uma irradiância de 1.000 W/m2, temperatura da célula de 25°C (com tolerância de ±2°C) e espectro solar para massa de ar (AM) = 1,5.

Forma típica da curva característica I x V de uma célula de silício cristalino
Forma típica da curva característica I x V de uma célula de silício cristalino

Para cada ponto na curva IxV, o produto corrente tensão representa potência gerada para aquela condição de operação. A análise da curva IxV é muito importante para a caracterização de um módulo fotovoltaico, pois a partir dela é possível obter os principais parâmetros que determinam a qualidade e o desempenho de um módulo.

Para uma célula e, consequentemente para o módulo, existe somente uma tensão e correspondente corrente, para a qual a potência máxima pode ser extraída.

Curva típica de potência versus tensão para a célula de silício cristalino
Curva típica de potência versus tensão para a célula de silício cristalino

O ponto de potência máxima corresponde ao produto da tensão de potência máxima (Vmp) e corrente de potência máxima (Imp). Os valores Pm, Vmp, Imp, Voc e Isc são os cinco parâmetros que especificam o produto sob dadas condições de radiação, temperatura de operação e massa de ar. A Figura a seguir mostra a curva característica I x V superposta à curva de potência para análise dos parâmetros.

Parâmetros de potência máxima
Parâmetros de potência máxima

Tipos de conexão dos módulos

Os módulos fotovoltaicos podem ser conectados em ligações em série, em paralelo ou em uma combinação série-paralelo, de modo a se obter os valores desejáveis de corrente e tensão.

  • Conexão em Série

Ao se conectar painéis em série, o pólo positivo de um módulo é ligado ao pólo negativo de outro. Dessa forma, a tensão total de saída do sistema (Utotal) será igual à soma da tensão de cada um dos módulos e a corrente total do conjunto (Itotal) será igual à corrente de um módulo:

Itotal = I1 = I2 = … In

Utotal = U1 + U2 + … Un

Uma fileira constituída por três módulos fotovoltaicos e as curvas de corrente-tensão são ilustradas a seguir.

Ligação de três módulos fotovoltaicos em série
Ligação de três módulos fotovoltaicos em série

Ao utilizar este tipo de ligação, é preciso verificar se há sombreamentos no local da instalação, pois o sombreamento de um único módulo poderá afetar o desempenho da fileira como um todo, já que a corrente do conjunto é igual à corrente do módulo.

O número de módulos ligados em série determina a tensão do sistema, que por sua vez determina a tensão de entrada do inversor. Por esse motivo, a tensão de circuito aberto da fileira de módulos deverá ser sempre maior do que as equivalentes tensões operacional e nominal, para que não sejam ultrapassadas as tensões de entrada admissíveis nos inversores.

  • Conexão em Paralelo

As ligações em paralelo entre módulos individuais são utilizadas tipicamente em sistemas autônomos.

Neste tipo de ligação o pólo positivo de um módulo é ligado ao pólo positivo de outro. A corrente total (Itotal) de saída é igual à soma das correntes de cada módulo e a tensão total de saída (Utotal) é igual à tensão de cada um dos módulos:

Itotal = I1 + I2 +…+ In

Utotal = U1 = U2 = … Un

A ligação entre os módulos e a curva característica de corrente e tensão, é visualizada abaixo.

Ligação de três módulos em paralelo
Ligação de três módulos em paralelo

Neste tipo de configuração, as perdas por sombreamento são minimizadas, pois apenas os módulos afetados deixarão de contribuir na geração de energia.

  • Conexão Série-Paralelo

Muitos dos sistemas fotovoltaicos conectados à rede apresentam uma combinação de arranjos série/paralelo. Normalmente os módulos são ligados em série, para aumentar a tensão e depois os arranjos são conectados em paralelo, com o objetivo de se aumentar a corrente de saída, conforme representa a seguir.

Ligação de módulos em combinação série-paralelo
Ligação de módulos em combinação série-paralelo

Fatores que afetam as características elétricas dos módulos

O desempenho dos módulos fotovoltaicos é influenciado pela intensidade luminosa e temperatura das células.

  • Intensidade Luminosa

A potência de saída no módulo sofre uma elevação com o aumento da radiação incidente, pois a corrente gerada pelo módulo sobe linearmente com o aumento da intensidade luminosa, conforme mostra a Figura abaixo. Por outro lado, a tensão de circuito aberto pouco varia nesta situação. Sendo assim, é fundamental determinar a melhor inclinação para cada região em função da latitude local, de forma a maximizar o aproveitamento dessa intensidade.

Efeito causado pela variação da intensidade luminosa na curva característica IxV para um módulo fotovoltaico
Efeito causado pela variação da intensidade luminosa na curva característica IxV para um módulo fotovoltaico
  • Temperatura das células

O nível de insolação e a variação da temperatura ambiente implicam em uma variação de temperatura das células que compõem os módulos FV. Normalmente as células trabalham em temperaturas acima de 25ºC, pois uma parte da radiação solar incidente absorvida não é convertida em energia elétrica, e sim dissipada sob a forma de calor. Assim, o aumento no nível de insolação aumenta a temperatura da célula e consequentemente tende a reduzir a eficiência do módulo. Isto ocorre devido a uma diminuição significativa da tensão com o aumento da temperatura, enquanto há uma elevação quase desprezível da corrente, conforme mostra a seguir.

Efeito causado pela temperatura da célula na curva característica IxV (para 1.000 W/m2) em módulos fotovoltaicos de silício cristalino
Efeito causado pela temperatura da célula na curva característica IxV (para 1.000 W/m2) em módulos fotovoltaicos de silício cristalino

A seguinte equação pode ser utilizada para estimar a temperatura de operação da célula, a partir da temperatura ambiente:

Temperatura de operação da célula

Onde:

  • TCEL – Temperatura da célula em ºC
  • TAMB – Temperatura ambiente em ºC
  • TNOCT – Temperatura nominal de operação da célula em ºC. É um dado fornecido pelo fabricante
  • S – irradiância (kW/m2)

Inversor

Os módulos solares fotovoltaicos geram energia elétrica em corrente contínua e a rede elétrica pública está em corrente alternada. Por esse motivo, é necessário o uso de um inversor para transformar a CC em CA com as características de freqüência, conteúdo de harmônicos, forma de onda, necessárias para a interconexão à rede.

Os inversores podem ser classificados em dois tipos:

  • Comutados pela rede elétrica, onde o sinal da rede é utilizado para sincronizar o inversor com a rede;
  • Auto-comutados, onde um circuito eletrônico no inversor controla e sincroniza o sinal do inversor ao sinal da rede, ou seja, independem dos parâmetros da rede.

As principais funções dos inversores em SFCR são:

  • Rastreamento do Ponto Máximo de Potência (MPPT): o sistema é capaz de fazer ajustes para manter os módulos fotovoltaicos operando perto do seu ponto de maior potência, que varia de acordo com a radiação solar incidente.
  • Converter a corrente CC gerada pelo painel fotovoltaico em CA.
  • Desconexão e Isolamento: no caso de os níveis de corrente, tensão e freqüência não estarem dentro da faixa aceitável dos padrões da rede elétrica ou também do lado CC, o inversor deve desconectar o arranjo fotovoltaico da rede. O mesmo vale para quando a rede não estiver energizada, ou seja, o inversor deve isolar o gerador FV da rede com o objetivo de evitar acidentes com operadores.

Para a especificação de um inversor a tensão máxima de operação do arranjo fotovoltaico (Vmpp) deve ser compatível com a tensão (CC) nominal de entrada do inversor. Além disso, a tensão máxima de circuito aberto do arranjo fotovoltaico (Voc) deve estar dentro do limite máximo de tensão que o inversor pode tolerar.

As especificações técnicas dos inversores fornecem informações importantes para o dimensionamento e instalação de sistemas fotovoltaicos, por isso é fundamental que sejam respeitadas. A configuração do sistema e da instalação elétrica determinam o número, o nível de tensão e a classe de potência dos inversores.

A eficiência de um inversor é afetada por diversos fatores, como descasamento entre os módulos, condições ambientais e sujeira nos módulos. Para as condições padrão de testes (irradiância de 1.000 W/m2, temperatura de junção da célula de 25 ºC e massa de ar AM = 1,5), é possível calcular a potência em corrente alternada obtida na saída do inversor, através da seguinte Equação:

PCA = PCC x EC

Onde:

  • PCA = potência em corrente alternada na saída do inversor
  • PCC = potência em corrente contínua obtida nos módulos
  • EC = eficiência de conversão

Com a utilização de modernos dispositivos eletrônicos, a conversão de corrente  contínua em corrente alternada padrão envolve perdas relativamente pequenas. O rendimento do inversor pode ser dado pela Equação:

Pinv = PCA / ( Vmax + Imax )

Onde:

  • Pinv – rendimento do inversor
  • PCA – representa a potência entregue à rede elétrica
  • Vmax – tensão máxima em CC
  • I max – corrente máxima em CC

Como raramente um projeto fotovoltaico utiliza a sua potência nominal máxima, o dimensionamento do inversor deve ser feito de forma que o mesmo não seja pouco utilizado e nem sobrecarregado. Isto deve ser observado, porque dificilmente as condições de operação do sistema se assemelham as condições padrão de teste.

O subdimensionamento de um inversor foi identificado no início da década de 1990 como uma possibilidade na redução dos custos do kWh gerado.

Dessa forma, pode-se utilizar um fator de dimensionamento de inversores, conhecido como FDI. Este fator representa a relação entre potência nominal do inversor e a potência nominal máxima do gerador fotovoltaico. Por exemplo, um FDI de 0,7 indica que a capacidade do inversor é 70% da potência máxima do arranjo fotovoltaico.

Os estudos de Pereira e Gonçalves (2008), mostraram que a prática do sub- dimensionamento é viável, visando ao aproveitamento máximo do sistema. Além disso, analisando-se dois sistemas idênticos localizados em diferentes regiões do país, ambos com inversores com capacidade maior ou igual a 60% da potência do gerador fotovoltaico, não haveria grandes diferenças em relação às perdas totais de energia em função do FDI. As diferenças identificadas na produtividade anual, seriam decorrentes das características climáticas de cada região e por esse motivo, cidades com um maior índice de irradiação solar média tenderiam a gerar mais energia que um mesmo sistema instalado em uma região com índices de irradiação solar mais baixos.

A instalação dos inversores pode ser feita na parte interna da edificação, por serem equipamentos de pequeno porte e não produzirem ruídos, ou ainda serem instalados junto aos módulos fotovoltaicos, na estrutura do suporte. Quando se escolhe um local exterior par a instalação, deve-se ter em conta que mesmo cumprindo o grau de proteção IP 65, as condições ambientais têm implicações na probabilidade de ocorrência de falhas e no período de vida útil do dispositivo. Por esta razão, os inversores devem estar pelo menos protegidos da radiação solar direta e da chuva.

Estrutura do Suporte

A estrutura de suporte dos módulos fotovoltaicos deve ser montada de modo a facilitar a instalação e manutenção do sistema e sempre que possível estar integrada ao envoltório da edificação para manter a harmonia estética do local. As estruturas precisam suportar ventos de até 150 Km/h; devem ser fabricadas com materiais resistentes a corrosão, como ferro galvanizado e alumínio; estar aterrada eletricamente, seguindo as normas vigentes e os módulos devem estar posicionados a pelo menos 1 metro do solo.

Proteção

A proteção dos cabos contra sobrecorrentes é feita através da utilização de fusíveis instalados como chave seccionadora. O seu uso permite que após a passagem dos cabos em eletrodutos separados por pólos positivo e negativo, os condutores de corrente CC cheguem com uma proteção antes de serem conectados ao inversor, além de proporcionarem maior segurança aos usuários.

Instalação elétrica

As instalações elétricas de baixa tensão são especificadas pela NBR 5410 e esta mesma norma deve ser obedecida para a instalação de um projeto solar fotovoltaico integrado a uma edificação. Em geral, as diferenças entre uma instalação elétrica convencional e um SFV está no fato de que um gerador fotovoltaico esta energizado sempre que sobre ele incidir luz e de se tratar de um circuito CC desde os painéis até o inversor.

Para uma melhor segurança alguns elementos precisam de um aterramento individual. Devem ser aterrados a estrutura de montagem dos painéis, os componentes metálicos e o circuito do arranjo fotovoltaico.

Características do Local de Instalação

Antes de começar a planejar/dimensionar um projeto fotovoltaico é fundamental conhecer o local da instalação, para uma prévia avaliação das condições básicas existentes e, assim, evitar erros de produção, consumo de energia e cálculo do custo global do sistema.

O desempenho do conjunto de módulos solares fotovoltaicos pode ser influenciada por vários parâmetros, sendo a radiação solar o principal deles, já que depende fundamentalmente da localização geográfica da instalação, além de sua inclinação e orientação. A temperatura dos painéis, o sombreamento parcial, o descasamento entre os painéis de um mesmo string, a resistência dos condutores e o estado de limpeza dos painéis, também são determinantes no rendimento do sistema.

Como regra geral, a inclinação ótima em relação à horizontal para incidência solar máxima em regime anual é dada pela latitude local. A orientação ideal é a de uma superfície voltada para o equador (norte geográfico para instalações no hemisfério sul e sul geográfico para instalações no hemisfério norte). No entanto, em outras situações, onde não é possível seguir esta regra, também é possível atingir uma geração satisfatória.

Um gerador fotovoltaico apresenta bom rendimento quando iluminado homogeneamente. Dada a característica construtiva da maioria dos módulos fotovoltaicos, em que as células solares individuais são conectadas em série, uma pequena sombra sobre uma destas células, como a sombra projetada por uma antena, chaminé ou poste, pode reduzir acentuadamente o rendimento de todo o sistema. Isto se deve ao fato de que a célula sobre a qual incidir a menor quantidade de radiação é que irá determinar a corrente (e portanto a potência) de operação de todo o conjunto a ela conectado em série.

Dentre os diversos tipos de sombreamento, podem ser citados:

  • Sombreamento temporário: resulta da presença de folhas, de dejetos de pássaros, pó e fuligem nas áreas industriais. A solução para este problema depende da eficiência no funcionamento do sistema de auto-limpeza dos painéis, feito através da lavagem da sujeira pela água da chuva. Para que isto ocorra, os painéis devem ser colocados com um ângulo mínimo de inclinação de 12 º.
  • Sombreamento em conseqüência da localização: compreende todo o sombreamento produzido pelo envoltório do edifício, ou seja, prédios vizinhos, árvores, cabos da rede elétrica.
  • Sombreamento produzido pelo edifício: são as sombras geradas pelo próprio edifício, como caixas d’água, antenas, pára-raios, etc.

Determinação da Demanda de Consumo Residencial

Para o dimensionamento do sistema de geração fotovoltaico é necessário analisar a demanda de energia pela carga. Esta análise tem o objetivo de construir com a maior fidelidade possível uma curva de carga, identificando as possíveis sazonalidades. Tal levantamento pode implicar em uma redução significativa no custo do sistema e prevenir contra efeitos de possíveis variações localizadas no comportamento da carga. Desse modo, deve-se especificar a carga para um projeto de projeto fotovoltaico através do seu consumo médio diário de energia. Todo equipamento elétrico possui uma potência apresentada em Watts (W). Para calcular o consumo de um equipamento basta multiplicar sua potência pelo tempo de funcionamento em horas em um determinado dia. O resultado final será dado em Wh/dia. Para transformar o valor encontrado em kWh, é preciso dividir o valor por 1.000, conforme a Equação:

C = P x h / 1000

Onde:

  • C – Consumo
  • P – Potência do aparelho em Watts (W)
  • h – horas de funcionamento por mês

Por exemplo, para o cálculo do consumo de duas lâmpadas de 100W funcionando 8 horas por dia durante 1 mês (30 dias), tem-se:

C = 2 x 100 x 8 horas x 30 dias / 1000

Ou seja, C = 48 kWh/mês

Este processo deve ser realizado para todos os equipamentos elétricos para que se obtenha o consumo final da edificação.

No entanto, como este trabalho está considerando residências hipotéticas localizadas em cidades de diferentes regiões do país, não há dados reais de posse de equipamentos eletro- eletrônicos e consequentemente de seu consumo específico. Assim, para a realização dos cálculos posteriores, estimou-se um consumo médio mensal de 300 kWh, o que gera um consumo médio diário de 10 kWh.

O valor de 300 kWh/mês foi adotado depois da análise das faixas de consumo predominantes em nível nacional e regional no país, conforme Figura abaixo. Os domicílios foram distribuídos em 3 faixas de consumo: faixa 1 (0 a 200 kWh/mês); faixa 2 (201 a 300 kWh/mês) e faixa 3 (> 301 kWh/mês).

Distribuição da amostra por faixa de consumo
Distribuição da amostra por faixa de consumo

Observa-se que as regiões Centro-Oeste e Nordeste apresentaram os maiores percentuais de domicílios com consumo mensal de energia elétrica na faixa mais baixa (0-200 kWh/mês). Na faixa intermediária (201-300 kWh/mês), detectaram-se os maiores percentuais nas regiões Sudeste e Sul. Já na faixa superior (> 300 kWh/mês), os dados apontaram as regiões Norte, Nordeste e Sudeste com os maiores percentuais.

A média de consumo nacional de energia elétrica no ano de 2007 era de 170  kWh/mês. No entanto, das três regiões estudadas, Sudeste e Sul possuíam os maiores percentuais de domicílios (16,9% e 16,1% respectivamente) com consumo intermediário (201-300 kWh/mês) e Nordeste e Sudeste apresentavam os maiores percentuais (ambas com 14,1%) na faixa superior (> 300 kWh/mês). Além disso, com o surgimento da nova classe média brasileira, houve um aumento na posse de equipamentos eletro-eletrônicos e consequentemente no consumo de energia elétrica, o que justifica ainda mais a escolha por 300 kWh.

Para cada uma das cidades, considerou-se que as residências teriam o mesmo padrão de consumo típico da sua região, conforme as curvas médias de demanda residencial que serão apresentadas nas abaixo, fornecidas pelo Relatório de Pesquisa de Posse e Hábitos de Uso.

Curva de demanda diária média na região Sul
Curva de demanda diária média na região Sul
Curva de demanda diária média na região Sudeste
Curva de demanda diária média na região Sudeste
Curva de demanda diária média na região Nordeste
Curva de demanda diária média na região Nordeste

Através da análise visual das curvas de demanda, é possível perceber um consumo maior de energia elétrica nas regiões Sul e Sudeste, com a apresentação de picos mais elevados que a região Nordeste. No entanto, apesar das diferenças regionais, todas as curvas são caracterizadas por um pico de demanda noturno, entre 18h e 21h, que é quando provavelmente os moradores encontram-se efetivamente em suas casas e o consumo aumenta principalmente devido ao uso do chuveiro elétrico. Assim, para uma melhor comparação entre as curvas de geração fotovoltaica e a de consumo, as curvas regionais foram ponderadas para uma demanda mensal de 300 kWh/mês.

Dimensionamento do projeto fotovoltaico

Os projetos fotovoltaicos devem ser pensados de modo a obter o máximo aproveitamento da energia solar, ou seja, utilizando somente a área ensolarada disponível e considerando as características regionais de cada uma das cidades escolhidas anteriormente.

Para o dimensionamento dos sistemas FV, algumas etapas devem ser seguidas:

  • Estimativa inicial da potência nominal necessária para suprir a demanda energética da residência;
  • Seleção do modelo de módulo solar e definição da quantidade a ser utilizada;
  • Seleção de um modelo de inversor compatível com o módulo;
  • Estabelecimento da melhor configuração módulo/ inversor;
  • Estimativa da energia produzida, tendo como base dados da radiação solar incidente no local.

A escolha dos módulos e demais componentes deve ser feita através de análise econômica, área de utilização de instalação e disponibilidade dos equipamentos no mercado nacional.

A tecnologia escolhida para ser utilizada nos sistemas recomendada é a que utiliza silício policristalino, por representar mais de 52% da produção mundial e por ser uma das mais eficientes encontradas no mercado mundial. Além disso, os painéis de silício policristalino são os mais utilizados nos sistemas conectados à rede existentes no Brasil, como o encontrado na Casa Eficiente da Eletrosul.

Os sistemas basicamente são compostos por:

  • Módulos fotovoltaicos;
  • Sistema de fiação;
  • Inversor de corrente CC para CA;
  • Disjuntor;
  • Medidor (es) de energia;
  • Transformador Isolador para Acoplamento de Potencias e Tensões;
  • Cabos para conexão à rede elétrica.

Para cada cidade deve ser calculada a potência nominal necessária para um consumo de 300 kWh/mês, o que representa um consumo médio diário de 10 kWh/dia. Levando em consideração o estudo de demanda mensal citado anteriormente.

A partir do valor da potência nominal específica para cada cidade, deve ser possível calcular a quantidade de módulos necessários, sempre considerando como fator limitante a área útil disponível para a instalação dos mesmos.

Para nortear a escolha dos modelos de módulos, devem se considerar as seguintes informações:

  • Potência do módulo;
  • Área do módulo em m2;
  • Custo de cada módulo;
  • Custo por m2.

A partir dessas informações, os dados são tabelados e são realizadas associações a fim de se obter a melhor relação entre as necessidades e o custo da solução proposta.

Para cada cidade, deve-se obter uma potência nominal específica necessária para suprir a demanda energética residencial utilizada como padrão no estudo (conforme apresentado acima). A partir desses dados, verifica-se a quantidade de área de módulos em metros quadrados necessários por cada potência de módulo analisada.

Avaliando-se a cidade de Porto União/SC, por exemplo, que apresenta menor quantidade de insolação disponível, e que, portanto necessita de uma quantidade superior de módulos quando comparada com as outras cidades em estudo, verifica-se que se for utilizado o de menor potência, que resulta em uma maior quantidade de módulos, haveria uma utilização de cerca de 23,45 m2 de área. Ou seja, conforme apresentado, a área para a instalação seria muito menor do que a disponível na residência, que é de 50 m2. Portanto, qualquer um dos modelos de módulos analisados teoricamente poderia ser escolhido para o dimensionamento do projeto fotovoltaico.

Após esta análise, determina-se o custo por potência, ou seja, a quantidade de módulos necessários por metro quadrado e o referido custo também por metro quadrado.

Na sequência é verificada a quantidade de módulos necessários para cada uma das potências nominais encontradas. Como os valores encontrados não são exatos, pode ser realizado um arredondamento para cima para cada um dos valores. No entanto, se a quantidade de módulos for um número ímpar, esse fato influencia diretamente na escolha do inversor CC/CA. Isto porque se optar-se por escolher números finais de módulos que permitem a divisão em subconjuntos, deve-se observar uma quantidade par de módulos, visando um melhor arranjo no sistema.

Assim, para cada modelo de módulo, são feitas adições de placas de forma que se tenha uma quantidade par no final. Além disso, o procedimento considera que os sistemas devem utilizar dois inversores, o que proporciona maior segurança operacional, pois permite que uma parte do sistema seja utilizado caso haja algum dano no outro subsistema. Além de permitir um balanceamento de carga na rede elétrica.

A partir dos dados analisados, é verificado o valor da potência final efetiva após a adição dos módulos e calcula-se a porcentagem de interferência dessa adição na potência original necessária para cada cidade em questão. Esta análise é necessária para manter o objetivo de dimensionar sistemas FV para diferentes localidades, sem perder o foco no mesmo consumo/fornecimento de energia. Assim, a relação entre as potências nominais encontradas anteriormente deverá sofrer o menor impacto possível.

Dimensionamento do inversor

A partir do cálculo da potência nominal para cada cidade, um dos pressupostos considerados foi a divisão dos sistemas FV em dois subsistemas, cada um conectado a um inversor diferente.

Com os dados das características elétricas dos módulos, da quantidade de módulos por subsistema e das características elétricas de vários modelos de inversores, procede-se para a verificação do melhor tipo de ligação dos módulos, objetivando uma escolha otimizada e compatível entre os componentes.

Estimativa da geração de energia

Após o dimensionamento dos principais componentes dos sistemas, deve ser realizado o cálculo da estimativa de geração média de energia elétrica para cada localidade. São comparadas ainda as curvas de demanda diária média, obtidas através da Pesquisa de Posse e Hábitos de Uso com as curvas estimadas de geração fotovoltaica diária média, obtidas através do software PVsyst 5.57.

Análise econômica

Para cada um dos sistemas fotovoltaicos dimensionados, pode ser realizada uma estimativa de custos para a instalação. Estes valores possibilitam a realização de uma análise econômica simplificada, considerando um período de retorno simples do investimento. Na seqüência pode ser verificado de quanto seria a contribuição da geração fotovoltaica na fatura de energia elétrica de cada residência, adotando o sistema de compensação energética.

Saiba mais sobre nossos produtos :

Transformador Trifásico Para Energia Solar

Transformador Trifásico

Autotransformador Trifásico

Transformadores Elétricos

Transformador Isolador

Transformadores

Trafo Transformador

Saiba mais sobre nossos posts:

Conceitos de Energia Solar Fotovoltaica

Sistema fotovoltaico

Projeto de Transformadores

Transformador de Corrente

Autotransformador

Eletromagnetismo

Transformadores isoladores

Referências Bibliográficas


Compartilhe agora mesmo:

Para enviar seu comentário, preencha os campos abaixo:

Deixe uma resposta

*

Seja o primeiro a comentar!