Blue Sol Educacional, Notas de estudo de Engenharia Elétrica

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• 1. Introdução
  • 1.1. Arquitetura Bioclimática
  • 1.2. Energia solar Fototérmica
  • 1.3. Energia Solar Fotovoltaica
• 2. Sistemas fotovoltaicos
  • 2.1. Classificação dos sistemas fotovoltaicos
• 2.1.1. Sistemas Isolados
• 2.1.1.1. Sistemas Híbridos
• 2.1.1.2. Sistemas Autônomos (Puros)
• 2.1.1.3. Sistemas Autônomos Sem Armazenamento
• 2.1.2. Componentes de Um Sistema Fotovoltaico Autônomo
• 2.1.3. Sistemas Conectados à Rede (On-Grid)
• 2.1.3.1. Benefícios ao usuário
• 2.1.3.2. Componentes de Um Sistema Fotovoltaico Conectado À Rede (On-Grid)
• 3. Radiação Solar e Efeito Fotovoltaico
  • 3.1. Geometria Solar
  • 3.2. Radiação Solar ao Nível do Solo
  • 3.3. Medindo o Potencial Solar
• 3.3.1. Horas de Sol Pico
  • 3.4. Efeito Fotovoltaico
• 3.4.1. Princípios de funcionamento
• 4. Células Fotovoltaicas
  • 4.1. Tipos de Células fotovoltaicas
• 4.1.1. Silício Cristalizado
• 4.1.1.1. Silício Monocristalino
• 4.1.1.2. Silício Policristalino
• 4.1.2. Células de Película Fina
• 4.1.2.1. Silício Amorfo (a-Si)
• 4.1.2.2. Disseleneto de Cobre e Índio (CIS)
• 4.1.2.3. Telureto de Cádmio (CdTe)
• 4.1.3. Tabela de Eficiências
• 5. Módulos Fotovoltaicos
  • 5.1. Características dos Módulos Fotovoltaicos
• 5.1.1. Características Físicas e Mecânicas
• 5.1.2. Características Elétricas
  • 5.2. Condições de Teste e Operação
  • 5.3. Associação de Módulos Fotovoltaicos
  • 5.4. Sombreamento, Pontos Quentes e Diodos de Proteção
• 5.4.1. Diodos de By-Pass
• 5.4.2. Diodos de Bloqueio
• 6. Painel e Arranjo Fotovoltaico
     • 6.1. Estruturas de Suporte e Ancoragem
• 6.1.1. Suportes para telhado
• 6.1.2. Suportes Para Instalação Em Plano Horizontal
• 6.1.2.1. Orientação do Painel Fotovoltaico
• 6.1.2.2. Inclinação do Painel Fotovoltaico
• 6.1.3. Suporte em Forma de Mastro - 6.2. Cálculos de Sombreamento
• 7. Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede
     • 7.1. Inversores On-Grid
• 7.1.1. Classificação e Tipos de Inversores Grid-Tie
• 7.1.1.1. Inversores Controlados/Chaveados pela Rede
• 7.1.1.2. Inversores Autorregulados (Auto Chaveados)
  • 7.1.1.2.1. Inversores Auto-Chaveados com Transformador de Baixa Frequência (LF)
  • 7.1.1.2.2. Inversores com Tranformadores de Alta Frequencia (HF)
  • 7.1.1.2.3. Inversores sem Transformadores
• 7.1.1.3. Características e Propriedades dos Inversores Grid-Tie
• 7.1.1.4. Eficiência de Conversão (Conversion Efficiency) – ηCON
• 7.1.1.5. Eficiência de Rastreamento (Tracking Efficiency) – ηTR
• 7.1.1.6. Eficiência Estática (Static Efficiency) – ηINV
• 7.1.1.7. Eficiência Européia (Euro Efficiency) – ηEURO
• 7.1.1.8. Comportamento em Sobrecarga
• 7.1.1.9. Registro de Dados Operacionais
• 7.1.1.10. Outras Características dos Inversores Grid-Tie - 7.2. Painel Fotovoltaico Para Sistemas On-Grid
• 7.2.1. Caixas de Junção
• 7.2.2. Configurações e Conceitos
• 7.2.2.1. Sistemas com Inversor Central
  • 7.2.2.1.1. Sistema com baixa tensão de entrada (<120 VCC)
  • 7.2.2.1.2. Sistemas com Alta Tensão de Entrada (>120 VCC)
  • 7.2.2.1.3. Sistema Mestre-Escravo (Master-Slave)
• 7.2.2.2. Sistemas de Grupos de Módulos
• 7.2.2.3. Sistemas com Módulos CA
• 8. Sistemas Fotovoltaicos Autônomos
     • 8.1. Painel Fotovoltaico
     • 8.2. Banco de baterias
• 8.2.1. Funções do banco de baterias
• 8.2.2. Baterias para Sistemas Fotovoltaicos
• 8.2.2.1. Constituição e funcionamento de uma Bateria de Chumbo Ácido
• 8.2.2.2. Tipos de Baterias de Chumbo-Ácido
• 8.2.3. Desempenho e Características das Baterias de Chumbo-Ácido
• 8.2.4. Efeitos do Envelhecimento nas Baterias
• 8.2.5. Cuidados com Baterias Estacionárias:
  • 8.3. Controlador/Regulador de Cargas
• 8.3.1. Formas de Controle de Carga
• 8.3.1.1. Controladores Série
• 8.3.1.2. Controladores Shunt
• 8.3.1.3. Controladores com MPPT
• 8.3.2. Critérios de Seleção de um Controlador
  • 8.4. Inversores Autônomos
• 8.4.1. Características dos inversores Autônomos
• 8.4.2. Critérios de Seleção de Inversor Autônomo
• 9. Dimensionando Sistemas Fotovoltaicos Autônomos
  • 9.1. Banco de baterias
  • 9.2. Painel Fotovoltaico
• 9.2.1. Influência do Controlador de Carga
• 9.2.2. Influência da Disponibilidade Solar no Local
• 9.2.3. Influência da Inclinação do Painel Fotovoltaico
• 9.2.4. Calculando o número de Módulos Fotovoltaicos
• 9.2.5. Escolha do Controlador de Carga
• 10. Bibliografia

Prefácio

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Introdução

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1. Introdução

O desenvolvimento da sociedade humana está atrelado à transformação do meio ambiente e obtenção

de energia. Durante o desenvolvimento da nossa sociedade ficou evidente a carência de energia em todos

possíveis locais da convivência humana, e nas últimas décadas temos visto o apelo de várias vozes que nos

mostram o iminente do fim dos combustíveis 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 tivemos o reconhecimento das fontes renováveis, não mais como fontes de energia alternativa,

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 físico 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 utilizadas 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, permitindo 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 artificial da energia

solar pode ser feito de três modos:

• Arquitetura Bioclimática
• Efeito Fototérmico
• Efeito Fotovoltaico

1.1. Arquitetura Bioclimática

A arquitetura bioclimática 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 edificação deve ser planejada cuidadosamente,

o que pode significar um alto rendimento no aproveitamento da energia natural do sol, economizando

outras formas de energia mais sofisticadas. 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 utilizam os Coletores Solares como dispositivo de captação

energética.

Os Sistemas de Aquecimento Solar estão difundidos no Brasil, principalmente devido à sua tecnologia

mais simples e aos bons preços. São ótimos complementos aos sistemas fotovoltaicos, pois fornecem de

maneira eficaz e barata, a energia necessária ao aquecimento da água para uso sanitário, aquecimento de

piscinas e climatização ambiente.

Sistemas Fotovoltaicos

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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

suficiente. Sistemas fotovoltaicos não utilizam combustíveis, não possuem partes móveis, e por serem

dispositivos de estado sólido, requerem menor manutenção. Durante o seu funcionamento não produzem

ruído acústico ou eletromagnético, e tampouco emitem gases tóxicos ou outro tipo de poluição ambiental.

A confiabilidade dos sistemas fotovoltaicos é tão alta, que são utilizados em locais inóspitos como:

espaço, desertos, selvas, regiões remotas, etc.

2.1. Classificação dos sistemas fotovoltaicos

Os sistemas fotovoltaicos são classificados 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 Direta-

mente à Rede Pública

Fazendas Solares

Conectado Via Rede

Doméstica

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

Domésticos

Sistemas Autônomos

CC

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

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Figura 4 - Sistema de bombeamento fotovoltaico

2.1.2. Componentes de Um Sistema Fotovoltaico Autônomo

Um sistema fotovoltaico residencial autônomo, geralmente, possui os seguintes componentes:

Figura 5 -Componentes de um sistema fotovoltaico autônomo

1 – Painel fotovoltaico;

2 – Controlador de Carga/Descarga das baterias;

3 – Banco de baterias;

4 – Inversor autônomo, para cargas em CA;

5 – Cargas CC ou CA;

Nos capítulos seguintes serão explicados os detalhes sobre cada um dos componentes de um sistema

fotovoltaico autônomo.

2.1.3. Sistemas Conectados à Rede (On-Grid)

Os sistemas fotovoltaicos conectados à rede fornecem energia para as redes de distribuição. Todo o

potencial gerado é rapidamente escoado para a rede, que age como uma carga, absorvendo a energia.

Os sistemas conectados à rede, também chamados de on-grid , geralmente não utilizam sistemas de

armazenamento de energia, e por isso são mais eficientes que os sistemas autônomos, além de, geralmente,

serem mais baratos.

Os sistemas On-Grid dependem de regulamentação e legislação favorável, pois usam a rede de

distribuição das concessionárias para o escoamento da energia gerada.

Figura 6 - Sistema conectado à rede

1 – Módulos Fotovoltaicos

2 – Inversor Grid-Tie –Transforma a corrente contínua do painel em corrente alternada de 127 V/

V e 60Hz, compatível com a eletricidade da rede.

3 – Interruptor de Segurança.

4 – Quadro de Luz - distribui energia para casa.

5 – A eletricidade alimenta os utensílios e eletrodomésticos

6 – O excedente volta para a rede elétrica através do medidor fazendo-o rodar ao contrario , reduzindo

a tarifa de energia elétrica.

2.1.3.1. Componentes de Um Sistema Fotovoltaico Conectado À Rede (On-Grid)

Um sistema fotovoltaico conectado à rede, geralmente, possui os seguintes componentes:

Radiação Solar e

Efeito Fotovoltaico

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3. Radiação Solar e Efeito Fotovoltaico

A Energia irradiada pelo sol em um segundo é muito maior que a energia consumida pela humanidade

desde o seu aparecimento na face da Terra, até os dias de hoje. Toda essa energia, claro, não chega até a

Terra.

Figura 8 - Comparativo entre a energia solar e outras formas de energia

A energia solar é produzida pelas reações nucleares que acontecem no interior do sol a grandes

profundidades. Em uma dessas reações os átomos de hidrogênio se combinam formando átomos de hélio,

e liberam energia. Esta energia viaja do interior do sol até a sua superfície (chamada de fotosfera), e daí se

irradia em todas as direções.

Essa energia irradiada chega à Terra vinda do espaço através das partículas de energia chamadas de

fótons. Os fótons se deslocam a uma velocidade de 300.000 km/s, por isso demoram cerca de 8 minutos

para chegar à Terra, que está a aproximadamente 150 milhões de quilômetros do sol.

A radiação solar é radiação eletromagnética que tem distribuição espectral conforme a figura abaixo: