Energia Solar Fotovoltaica, Notas de estudo de Engenharia Florestal

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INTRODUÇÃO A SISTEMAS

DE ENERGIA SOAR FOTOVOAICA

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  • 1. Introdução
    • 1.1. Arquitetura Bioclimáica
    • 1.2. Energia solar Fototérmica
    • 1.3. Energia Solar Fotovoltaica
  • 2. Sistemas fotovoltaicos
    • 2.1. Classiicação 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. Beneícios 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 44 www.blue-sol.comwww.blue-sol.com
• 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 Eiciências
• 5. Módulos Fotovoltaicos
  • 5.1. Caracterísicas dos Módulos Fotovoltaicos
• 5.1.1. Caracterísicas Físicas e Mecânicas
• 5.1.2. Caracterísicas 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
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  • 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. Classiicação 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. Caracterísicas e Propriedades dos Inversores Grid-Tie
  • 7.1.1.4. Eiciência de Conversão (Conversion Eiciency) – ηCON
  • 7.1.1.5. Eiciência de Rastreamento (Tracking Eiciency) – ηTR
  • 7.1.1.6. Eiciência Estáica (Staic Eiciency) – ηINV
  • 7.1.1.7. Eiciência Européia (Euro Eiciency) – ηEURO
• 7.1.1.8. Comportamento em Sobrecarga 66 www.blue-sol.comwww.blue-sol.com
• 7.1.1.9. Registro de Dados Operacionais
• 7.1.1.10. Outras Caracterísicas dos Inversores Grid-Tie - 7.2. Painel Fotovoltaico Para Sistemas On-Grid
• 7.2.1. Caixas de Junção
• 7.2.2. Conigurações 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. Consituição e funcionamento de uma Bateria de Chumbo Ácido
• 8.2.2.2. Tipos de Baterias de Chumbo-Ácido
• 8.2.3. Desempenho e Caracterísicas das Baterias de Chumbo-Ácido
• 8.2.4. Efeitos do Envelhecimento nas Baterias
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  • 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. Caracterísicas 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. Inluência do Controlador de Carga
  • 9.2.2. Inluência da Disponibilidade Solar no Local
  • 9.2.3. Inluência da Inclinação do Painel Fotovoltaico
  • 9.2.4. Calculando o número de Módulos Fotovoltaicos
  • 9.2.5. Escolha do Controlador de Carga
  • 10. Bibliograia

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 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.

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 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 Direta- mente 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 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.

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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 uilizam sistemas de armazenamento de energia, e por isso são mais eicientes 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 conínua do painel em corrente alternada de 127 V/ V e 60Hz, compaível com a eletricidade da rede. 3 – Interruptor de Segurança. 4 – Quadro de Luz - distribui energia para casa. 5 – A eletricidade alimenta os utensílios e eletrodomésicos 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 - Comparaivo 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 superície (chamada de fotosfera), e daí se irradia em todas as direções.

Essa energia irradiada chega à Terra vinda do espaço através das parículas 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 eletromagnéica que tem distribuição espectral conforme a igura abaixo: