Livro - Digital - de - Introdução - aos - Sistemas - Solares - novo

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(Parte 1 de 4)

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1. Introdução 1

1.1. Arquitetura Bioclimáica11

1.2. Energia solar Fototérmica11 1.3. Energia Solar Fotovoltaica12

2. Sistemas fotovoltaicos 14

2.1. Classiicação dos sistemas fotovoltaicos14

2.1.1. Sistemas Isolados 14

2.1.1.1. Sistemas Híbridos 15

2.1.1.2. Sistemas Autônomos (Puros) 15 2.1.1.3. Sistemas Autônomos Sem Armazenamento 15

2.1.2. Componentes de Um Sistema Fotovoltaico Autônomo 16

2.1.3. Sistemas Conectados à Rede (On-Grid) 17

2.1.3.1. Beneícios ao usuário 17 2.1.3.2. Componentes de Um Sistema Fotovoltaico Conectado À Rede (On-Grid) 18

3.Radiação Solar e Efeito Fotovoltaico20

3.1. Geometria Solar21

3.2. Radiação Solar ao Nível do Solo22

3.3. Medindo o Potencial Solar24 3.3.1. Horas de Sol Pico 25

Sumário w.blue-sol.com4 w.blue-sol.com4

3.4. Efeito Fotovoltaico 26 3.4.1. Princípios de funcionamento 26

4. Células Fotovoltaicas 32

4.1. Tipos de Células fotovoltaicas32

4.1.1. Silício Cristalizado 32

4.1.1.1. Silício Monocristalino 3 4.1.1.2. Silício Policristalino 3

4.1.2. Células de Película Fina 34

4.1.2.1. Silício Amorfo (a-Si) 35

4.1.2.2. Disseleneto de Cobre e Índio (CIS) 36 4.1.2.3. Telureto de Cádmio (CdTe) 37

4.1.3. Tabela de Eiciências 39

5. Módulos Fotovoltaicos 40

5.1. Caracterísicas dos Módulos Fotovoltaicos43

5.1.1. Caracterísicas Físicas e Mecânicas 43 5.1.2. Caracterísicas Elétricas 45

5.2. Condições de Teste e Operação 46

5.3. Associação de Módulos Fotovoltaicos 49

5.4. Sombreamento, Pontos Quentes e Diodos de Proteção 50

5.4.1. Diodos de By-Pass 51 5.4.2. Diodos de Bloqueio 54 w.blue-sol.com 5

6.Painel e Arranjo Fotovoltaico55

6.1. Estruturas de Suporte e Ancoragem55

6.1.1. Suportes para telhado 5

6.1.2. Suportes Para Instalação Em Plano Horizontal 57

6.1.2.1. Orientação do Painel Fotovoltaico 58 6.1.2.2. Inclinação do Painel Fotovoltaico 59

6.1.3. Suporte em Forma de Mastro 59

6.2. Cálculos de Sombreamento 60

7.Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede64

7.1. Inversores On-Grid64

7.1.1. Classiicação e Tipos de Inversores Grid-Tie 65

7.1.1.1. Inversores Controlados/Chaveados pela Rede 65

7.1.1.2. Inversores Autorregulados (Auto Chaveados) 6

7.1.1.2.1. Inversores Auto-Chaveados com Transformador de Baixa Frequência (LF) 67

7.1.1.2.2. Inversores com Tranformadores de Alta Frequencia (HF) 68

7.1.1.2.3. Inversores sem Transformadores 68

7.1.1.3. Caracterísicas e Propriedades dos Inversores Grid-Tie 68

7.1.1.4. Eiciência de Conversão (Conversion Eiciency) – ηCON 69

7.1.1.5. Eiciência de Rastreamento (Tracking Eiciency) – ηTR 69

7.1.1.6. Eiciência Estáica (Staic Eiciency) – ηINV 69 7.1.1.7. Eiciência Européia (Euro Eiciency) – ηEURO 70 w.blue-sol.com6 w.blue-sol.com6

7.1.1.8. Comportamento em Sobrecarga 71

7.1.1.9. Registro de Dados Operacionais 71 7.1.1.10. Outras Caracterísicas dos Inversores Grid-Tie 72

7.2. Painel Fotovoltaico Para Sistemas On-Grid 74

7.2.1. Caixas de Junção 74

7.2.2. Conigurações e Conceitos 75

7.2.2.1. Sistemas com Inversor Central 75

7.2.2.1.1. Sistema com baixa tensão de entrada (<120 VCC) 75

7.2.2.1.2. Sistemas com Alta Tensão de Entrada (>120 VCC) 76

7.2.2.1.3. Sistema Mestre-Escravo (Master-Slave) 7

7.2.2.2. Sistemas de Grupos de Módulos 7 7.2.2.3. Sistemas com Módulos CA 78

8.Sistemas Fotovoltaicos Autônomos81

8.1. Painel Fotovoltaico81

8.2. Banco de baterias81

8.2.1. Funções do banco de baterias 82

8.2.2. Baterias para Sistemas Fotovoltaicos 82

8.2.2.1. Consituição e funcionamento de uma Bateria de Chumbo Ácido 82 8.2.2.2. Tipos de Baterias de Chumbo-Ácido 85

8.2.3. Desempenho e Caracterísicas das Baterias de Chumbo-Ácido 87 8.2.4. Efeitos do Envelhecimento nas Baterias 89

w.blue-sol.com 7

8.2.5. Cuidados com Baterias Estacionárias: 89

8.3. Controlador/Regulador de Cargas 90

8.3.1. Formas de Controle de Carga 92

8.3.1.1. Controladores Série 92

8.3.1.2. Controladores Shunt 92 8.3.1.3. Controladores com MPPT 92

8.3.2. Critérios de Seleção de um Controlador 93

8.4. Inversores Autônomos 93

8.4.1. Caracterísicas dos inversores Autônomos 94 8.4.2. Critérios de Seleção de Inversor Autônomo 95

9.Dimensionando Sistemas Fotovoltaicos Autônomos98

9.1. Banco de baterias101

9.2. Painel Fotovoltaico105

9.2.1. Inluência do Controlador de Carga 105

9.2.2. Inluência da Disponibilidade Solar no Local 105

9.2.3. Inluência da Inclinação do Painel Fotovoltaico 107

9.2.4. Calculando o número de Módulos Fotovoltaicos 108 9.2.5. Escolha do Controlador de Carga 109

Prefácio w.blue-sol.com8 w.blue-sol.com8

Prefácio

Esta aposila foi criada para dar suporte a todos os interessados em conhecer a tecnologia por trás da Energia Solar Fotovoltaica. Apresenta uma introdução às tecnologias de geração de eletricidade por fonte fotovoltaica, seus usos e aplicações no Brasil.

Os capítulos 1 e 2 explicam o que são os sistemas fotovoltaicos, sua classiicação e uilização. O capítulo 3 fala sobre a Energia Solar, o potencial brasileiro e sobre o efeito fotovoltaico. Os capítulos 4 e 5 detalham as tecnologias das células fotovoltaicas uilizadas para a fabricação dos módulos. O capítulo 6 aborda aspectos da concepção dos painéis fotovoltaicos, falando sobre orientação, inclinação e estudo de possíveis causadores de sombras. O capítulo 7 fala de sistemas fotovoltaicos conectados à rede e por im, o capítulo 8 aborda os sistemas fotovoltaicos autônomos.

Esperamos que com esta aposila o leitor possa icar completamente familiarizado com os equipamentos e conceitos empregados nesta tecnologia. Tentamos apresentar o conteúdo de forma que ele seja úil tanto para pessoas com conhecimentos técnicos prévios, quanto para leigos em eletricidade e engenharia. Obviamente, é inevitável que alguns termos técnicos apareçam, mas nada tão complexo a ponto de prejudicar o compreendimento do todo.

Convidamos você, leitor, a frequentar e paricipar de nossos grupos de discussões em nossas redes sociais, onde incenivamos a formação de uma comunidade virtual sobre o tema como forma de enriquecimento do aprendizado.

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Autor Ronilson di Souza ronilsondisouza@blue-sol.com

Edição e diagramação Luiz Rafael Passari luizrafael@blue-sol.com

Todos os direitos reservados a Blue Sol Energia Solar

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Introdução w.blue-sol.com10 w.blue-sol.com10 w.blue-sol.com 1

1. Introdução

O desenvolvimento da sociedade humana está atrelado à transformação do meio ambiente e obtenção de energia. Durante o desenvolvimento da nossa sociedade icou evidente a carência de energia em todos possíveis locais da convivência humana, e nas úlimas décadas temos visto o apelo de várias vozes que nos mostram o iminente do im dos combusíveis fósseis, o imenso impacto ambiental causado por essas fontes de energia e a insustentabilidade do modo como obtemos a energia que nos move.

Enquanto isso, em muitas frentes, temos o desenvolvimento de novas formas de geração de energia e recentemente ivemos o reconhecimento das fontes renováveis, não mais como fontes de energia alternaiva, mas como fontes de energia primárias, cujas principais representantes são:

• Energia Hidrelétrica;

• Biomassa

• Energia Eólica

• Energia Solar

Todas as formas de energia que conhecemos derivam da energia solar. É a energia do sol que altera o estado ísico da água, fazendo com que essa migre e possa ser represada e aproveitada nas usinas hidrelétricas. O aquecimento das massas de ar provoca os ventos, que são aproveitados nos aerogeradores dos parques eólicos É a energia solar, absorvida na fotossíntese, que dá vida às plantas uilizadas como fonte de energia de biomassa. Até mesmo o petróleo, que vem de restos de vegetação e animais pré-históricos, também é derivado do sol, pois este deu a energia necessária ao aparecimento da vida na terra em eras passadas. Podemos, através desse ponto de vista, considerar que todas as formas de energia são renováveis, infelizmente não em escala humana. As formas de energia renovável citadas acima são as que se renovam a cada dia, permiindo um desenvolvimento sustentável da vida e sociedade humana.

A energia solar que chega à Terra e um ano é muito maior que o consumo humano de energia no mesmo período. Infelizmente todo esse potencial não é aproveitado. O aproveitamento ariicial da energia solar pode ser feito de três modos:

• Arquitetura Bioclimáica

• Efeito Fototérmico

• Efeito Fotovoltaico

1.1. Arquitetura Bioclimáica

A arquitetura bioclimáica consiste em formas de aproveitamento da luz natural do sol, do calor - ou evitando-o - através de formas de integração arquitetônica às condições locais.

Para aproveitar corretamente as condições naturais, a ediicação deve ser planejada cuidadosamente, o que pode signiicar um alto rendimento no aproveitamento da energia natural do sol, economizando outras formas de energia mais soisicadas. Temos como exemplo, os sistemas que aproveitam melhor a luz natural durante o dia, economizando eletricidade.

1.2. Energia Solar Térmica

O efeito fototérmico consiste na captação da Irradiação Solar e conversão direta em calor. É o que ocorre com os Sistemas de Aquecimento Solar que uilizam os Coletores Solares como disposiivo de captação energéica.

Os Sistemas de Aquecimento Solar estão difundidos no Brasil, principalmente devido à sua tecnologia mais simples e aos bons preços. São óimos complementos aos sistemas fotovoltaicos, pois fornecem de maneira eicaz e barata, a energia necessária ao aquecimento da água para uso sanitário, aquecimento de piscinas e climaização ambiente.

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Figura 1 - Sistema de aquecimento solar

1.3. Energia Solar Fotovoltaica

O efeito fotovoltaico, observado por Edmond Bequerel em 1839, consiste no aparecimento de uma diferença de potencial nos extremos de um semicondutor, quando esse absorve a luz visível. É o objeto de estudo deste livreto e a forma de captação de energia solar mais promissora.

São incontestáveis as vantagens da energia solar fotovoltaica: • A matéria prima é inesgotável

• Não há emissão de poluentes durante a geração da eletricidade

• Os sistemas podem ser instalados em todo o globo

Infelizmente a energia solar fotovoltaica tem suas deiciências:

• A densidade (o luxo de potencial que chega à superície terrestre) é pequeno (<1kW/m²), se comparado às fontes fósseis.

• A energia solar disponível em uma localidade varia sazonalmente, além de ser afetada pelas condições climatológicas.

• Os equipamentos de captação e conversão requerem invesimentos inanceiros iniciais mais elevados que os sistemas convencionais.

O baixo luxo de potencial solar requer grande área captadora, para obter maiores potências. A variabilidade da Irradiação Solar implica no uso de sistemas de armazenamento, que são, em geral, pouco eicientes. Já o alto invesimento inicial, leva a considerar a viabilidade econômica de um projeto, tendo em conta sua vida úil e todas as vantagens da uilização dessa forma de energia.

Nas páginas seguintes conheceremos um pouco mais sobre a captação da energia solar e conversão em energia elétrica úil; os disposiivos uilizados, e alguns detalhes que permiiram um bom começo de estudos nessa interessante área.

O estudo sério da energia solar fotovoltaica se desenvolve em vários ramos da ciência como: ísica, química, matemáica, astronomia, etc. É um mundo de conhecimento, no qual penetramos a parir de agora.

Sistemas Fotovoltaicos w.blue-sol.com 13 w.blue-sol.com14 w.blue-sol.com14

2. Sistemas fotovoltaicos

Um sistema fotovoltaico é uma fonte de potência elétrica, na qual as células fotovoltaicas transformam a Radiação Solar diretamente em energia elétrica.

Os sistemas fotovoltaicos podem ser implantados em qualquer localidade que tenha radiação solar suiciente. Sistemas fotovoltaicos não uilizam combusíveis, não possuem partes móveis, e por serem disposiivos de estado sólido, requerem menor manutenção. Durante o seu funcionamento não produzem ruído acúsico ou eletromagnéico, e tampouco emitem gases tóxicos ou outro ipo de poluição ambiental.

A coniabilidade dos sistemas fotovoltaicos é tão alta, que são uilizados em locais inóspitos como: espaço, desertos, selvas, regiões remotas, etc.

2.1. Classiicação dos sistemas fotovoltaicos

Os sistemas fotovoltaicos são classiicados de acordo à forma como é feita a geração ou entrega da energia elétrica em:

• Sistemas Isolados

• Sistemas conectados à rede (On-Grid)

Sistemas Fotovoltaicos

Energia Solar

Sistemas Isolados Sem a rede

Sistemas Conectados à Rede

Injetam Energia

Conectado Diretamente à Rede Pública

Fazendas Solares

Conectado Via Rede Domésica

Residenciais

Autônomos

Energia Solar

Sistemas Híbridos

Co-geração

Sem Armazenamento Bombas

PV + Aerogerador Solar + Eólica

PV + Gerador Diesel Menos Baterias

Appliances Iluminação

Pequenas Aplicações Medições

Sistemas Autônomos CA

Domésicos

Sistemas Autônomos C

Telecom

Figura 2 - Tipos de Sistemas Fotovoltaicos

2.1.1. Sistemas Isolados Um Sistema Fotovoltaico Isolado é aquele que não tem contato com a rede de distribuição de

w.blue-sol.com 15 eletricidade das concessionárias. Os sistemas isolados podem ser classiicados em Híbridos ou Autônomos (Puros). Os sistemas autônomos podem ser com, ou sem armazenamento elétrico.

2.1.1.1. Sistemas Híbridos

Figura 3 - Sistema híbrido eólico fotovoltaico

Um sistema fotovoltaico híbrido trabalha em conjunto com outro sistema de geração elétrica, que pode ser um aerogerador (no caso de um sistema híbrido solar-eólico), um moto-gerador a combusível líquido (ex.: diesel), ou qualquer outro sistema de geração elétrica.

Um sistema híbrido pode ou não possuir sistema de armazenamento de energia. Quando possui, geralmente o sistema de armazenamento tem autonomia menor ou igual a um dia.

2.1.1.2. Sistemas Autônomos (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 sol, 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 à autonomia que o sistema deve ter, e essa varia de acordo às condições climatológicas da localidade onde será implantado o sistema fotovoltaico.

2.1.1.3. Sistemas Autônomos Sem Armazenamento

São sistemas que funcionam somente durante as horas de sol. Temos como exemplo os sistemas de bombeamento de água. As caracterísicas das bombas são calculadas levando em consideração a necessidade água e o potencial Solar da localidade. O painel fotovoltaico é dimensionado para fornecer potencial para a bomba. Apesar de, geralmente, não uilizarem sistemas de armazenamento elétrico, o armazenamento energéico é feito na forma de água no reservatório.

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