Guia Especializado para Projeto e Instalação de Sistemas FV Solares

Projeto e instalação de Sistemas FV Solares

Hoje, nosso mundo moderno precisa de energia para várias aplicações do dia a dia, como fabricação industrial, aquecimento, transporte, agricultura, aplicações de iluminação, etc. A maior parte de nossa necessidade de energia é geralmente satisfeita por fontes não renováveis de energia, como carvão, petróleo bruto, gás natural, etc. Mas a utilização de tais recursos causou um grande impacto em nosso meio ambiente.

Além disso, esta forma de recurso energético não é distribuída uniformemente na Terra. Existe uma incerteza nos preços de mercado, como no caso do petróleo bruto, pois depende da produção e extração de suas reservas. Devido à disponibilidade limitada de fontes não renováveis, a demanda por fontes renováveis cresceu nos últimos anos.

A energia solar tem estado no centro das atenções quando se trata de fontes de energia renováveis. Está prontamente disponível de forma abundante e tem o potencial de atender a toda a necessidade energética do nosso planeta. O sistema FV autônomo solar, como mostrado na figura 1, é uma das abordagens quando se trata de atender nossa demanda energética independentemente da concessionária. Portanto, a seguir, veremos brevemente o planejamento, projeto e instalação de um sistema FV autônomo para geração de eletricidade.

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Planejamento de um Sistema FV Autônomo

Avaliação do local, levantamento e avaliação de recurso de energia solar:

Como a saída gerada pelo sistema FV varia significativamente dependendo do tempo e localização geográfica, torna-se de extrema importância ter uma seleção apropriada do local para a instalação FV autônoma. Assim, os seguintes pontos devem ser considerados para avaliação e seleção de locais para instalação.

1. Sombra Mínima: Deve-se garantir que o local selecionado, seja no telhado ou no solo, não tenha sombras ou não tenha nenhuma estrutura que intercepte a radiação solar caindo nos painéis a serem instalados. Além disso, certifique-se de que não haverá nenhuma construção estrutural em breve ao redor da instalação que possa causar problemas de sombreamento.
2. Área de Superfície: A área de superfície do local onde a instalação FV é pretendida deve ser conhecida, para ter uma estimativa do tamanho e número de painéis necessários para gerar a potência de saída requerida para a carga. Isso também ajuda a planejar a instalação do inversor, conversores e bancos de baterias.
3. Telhado: No caso de instalação em telhado, o tipo de telhado e sua estrutura devem ser conhecidos. No caso de telhados inclinados, o ângulo de inclinação deve ser conhecido e montagens necessárias devem ser usadas para fazer os painéis terem mais incidência de radiação solar, ou seja, idealmente o ângulo de radiação deve ser perpendicular ao painel FV e praticamente o mais próximo possível de 90 graus.
4. Rotas: Rotas possíveis para os cabos do inversor, banco de baterias, controlador de carga e arranjo FV devem ser planejadas de forma a ter utilização mínima de cabos e menor queda de tensão nos cabos. O projetista deve escolher entre a eficiência e o custo do sistema.

Para estimar a potência de saída, a avaliação de energia solar do local selecionado é de suma importância. Insolação é definida como a medida da energia do sol recebida em uma área especificada durante um período de tempo. Você pode encontrar esses dados usando um piranômetro, no entanto, não é necessário, pois você pode encontrar os dados de insolação na estação meteorológica mais próxima. Ao avaliar a energia solar, os dados podem ser medidos de duas formas:

• Quilowatt-hora por metro quadrado por dia (kWh/m²/dia): É uma quantidade de energia medida em quilowatt-hora, caindo em metro quadrado por dia.
• Horas de Pico Solar Diárias (PSH): Número de horas em um dia durante as quais a irradiação média é de 1000 W/m².

Horas de pico solar são mais comumente usadas, pois simplificam os cálculos. Não confunda "Horas Médias de Sol" e "Horas de Pico Solar" que você coletaria da estação meteorológica. "Horas médias de sol" indica o número de horas em que o sol brilhou, enquanto "Horas de pico solar" é a quantidade real de energia recebida em kWh/m²/dia. Entre todos os meses durante um período de ano, use o menor valor médio diário de insolação, pois isso garantirá que o sistema operará de forma mais confiável quando o sol for mínimo devido a condições climáticas desfavoráveis.

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Considerações para Sistema FV Autônomo

Cálculo da Demanda de Energia

O tamanho do sistema FV autônomo depende da demanda de carga. A carga e seu tempo de operação variam para diferentes aparelhos, portanto, cuidado especial deve ser tomado durante os cálculos de demanda de energia. O consumo de energia da carga pode ser determinado multiplicando a potência nominal (W) da carga pelo seu número de horas de operação. Assim, a unidade pode ser escrita como watt × hora ou simplesmente Wh.

Demanda de energia Watt-hora = Potência nominal em Watt × Duração da operação em horas.

Assim, a demanda total diária de energia em Wh é calculada somando a demanda individual de cada aparelho por dia.

Demanda total de energia Watt-hora = ∑ (Potência nominal em Watt × Duração da operação em horas).

Um sistema deve ser projetado para o pior cenário, ou seja, para o dia em que a demanda de energia é mais alta. Um sistema projetado para a demanda de pico garantirá que o sistema seja confiável. Se o sistema atende a demanda de pico, atenderá a demanda mais baixa. Mas projetar o sistema para a demanda mais alta aumentará o custo total do sistema. Por outro lado, o sistema será totalmente utilizado apenas durante a demanda de pico. Então, temos que escolher entre custo e confiabilidade do sistema.

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Classificações do Inversor e Conversor (Controlador de Carga)

Para escolher o inversor adequado, tanto a tensão e corrente de entrada quanto de saída devem ser especificadas. A tensão de saída do inversor é especificada pela carga do sistema, deve ser capaz de lidar com a corrente da carga e a corrente retirada do banco de baterias. Baseado na carga total conectada ao sistema, a classificação de potência do inversor pode ser especificada.

Vamos considerar 2,5 kVA no nosso caso, portanto, um inversor com capacidade de manuseio de potência com tamanho 20-30% maior que a potência rodando a carga deve ser escolhido no mercado. No caso de carga de motor, deve ser 3-5 vezes maior que a demanda de potência de tal aparelho. No caso do conversor, o controlador de carga é classificado em corrente e tensão. Sua classificação de corrente é calculada usando a classificação de corrente de curto-circuito do módulo FV. O valor de tensão é o mesmo que a tensão nominal das baterias.

Dimensionamento do Conversor e Controlador de Carga

A classificação do controlador de carga deve ser 125% da corrente de curto-circuito do painel fotovoltaico. Em outras palavras, deve ser 25% maior que a corrente de curto-circuito do painel solar.

Tamanho do controlador de carga solar em amperes = Corrente de curto-circuito do FV × 1,25 (Fator de segurança).

Por exemplo, precisamos de 6 unidades de painéis solares de 160W cada para nosso sistema. Seguem os dados relacionados do painel FV.

Suponha que as especificações do módulo FV sejam as seguintes.

• P_M = 160 W_Pico
• V_M = 17,9 V_CC
• I_M = 8,9 A
• V_OC = 21,4 V
• I_SC = 10 A

A classificação requerida do controlador de carga solar é = (4 painéis x 10 A) x 1,25 = 50 A

Agora, um controlador de carga de 50A é necessário para a configuração de sistema 12V CC.

Nota: Esta fórmula não é aplicável a carregadores solares MPPT. Consulte o manual do usuário ou verifique a placa de identificação para dimensionamento adequado.

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Dimensionamento do Inversor

O tamanho do Inversor deve ser 25% maior que a carga total devido a perdas e problemas de eficiência no inversor. Em outras palavras, deve ser classificado 125% da carga total requerida em watts. Por exemplo, se a potência requerida for 2400W, o tamanho do inversor deve ser:

2400W x 125%

2400W x 1,25

3000 Watts.

Então precisamos de um inversor de 3kW no caso de carga de 2400W.

Energia Diária Fornecida ao Inversor

Vamos considerar no nosso caso o consumo diário de energia pela carga é 2700 Wh. Note que o inversor tem sua eficiência, portanto, a energia fornecida ao inversor deve ser maior que a energia usada pela carga, para que as perdas no inversor possam ser compensadas. Assumindo 90% de eficiência no nosso caso, a energia total fornecida pela bateria ao inversor seria dada como;

Energia fornecida pela bateria à entrada do inversor = 2700 / 0,90 = 3000 Wh/dia.

Tensão do Sistema

A tensão de entrada do inversor é referida como a tensão do sistema. Também é a tensão geral do banco de baterias. Esta tensão do sistema é decidida pela tensão individual da bateria selecionada, corrente de linha, queda de tensão máxima permitida e perda de potência no cabo. Geralmente, a tensão das baterias é 12V, então será a tensão do sistema. Mas se precisarmos de tensão mais alta, deve ser múltiplos de 12V. ou seja, 12V, 24V, 36V, e assim por diante.

Ao diminuir a corrente, a perda de potência e queda de tensão no cabo podem ser reduzidas, isso pode ser feito aumentando a tensão do sistema. Isso aumentará o número de baterias em série. Portanto, deve-se escolher entre perda de potência e tensão do sistema. Agora, para nosso caso, vamos considerar a tensão do sistema de 24V.

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Dimensionamento das Baterias

Ao dimensionar a bateria, alguns parâmetros precisam ser considerados:

1. Profundidade de Descarga (DOD) da bateria.
2. Tensão e capacidade em ampere-hora (Ah) da bateria.
3. Número de dias de autonomia (é o número de dias necessários para alimentar todo o sistema (energia de reserva) sem painéis solares em caso de sombreamento total ou dias chuvosos. Cobriremos esta parte em nosso próximo artigo) para obter a capacidade Ah necessária das baterias.

Vamos considerar que temos baterias de 12V, 100Ah com DOD de 70%. Assim, a capacidade utilizável é 100Ah × 0,70 = 70Ah. Portanto, a capacidade de carga requerida é determinada da seguinte forma;

Capacidade de carga requerida = energia fornecida pela bateria à entrada do inversor / tensão do sistema

Capacidade de carga requerida = 3000 Wh / 24V = 125Ah

A partir disso, o número de baterias necessárias pode ser calculado como;

Nº de baterias necessárias = Capacidade de carga requerida / (100 × 0,7)

Nº de baterias necessárias = 125Ah / (100 × 0,7) = 1,78 (arredondar para 2 baterias)

Assim, 2 baterias de 12V, 100Ah são necessárias. Mas devido ao arredondamento, 140Ah em vez de 125Ah é requerido.

Capacidade de carga requerida = 2 × 100Ah × 0,7 = 140Ah

Portanto, duas baterias 12V, 100Ah em paralelo para atender à capacidade de carga acima. Mas como a bateria individual é de 12V, 100Ah apenas e a exigência de tensão do sistema é de 24V, precisamos conectar duas baterias em série para obter a tensão do sistema de 24V, como mostrado na figura 2 abaixo:

Portanto, no total haverá quatro baterias de 12V, 100Ah. Duas conectadas em série e duas conectadas em paralelo.

Além disso, a capacidade requerida das baterias pode ser encontrada pela seguinte fórmula.

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Dimensionamento do Arranjo FV

Diferentes tamanhos de módulos FV disponíveis no mercado produzem diferentes níveis de potência de saída. Uma das formas mais comuns de determinar o dimensionamento do arranjo FV é usar a menor insolação média diária (irradiação solar) em horas de pico solar da seguinte forma;

Tamanho total do arranjo FV (W) = (Demanda de energia por dia de uma carga (Wh) / T_PH) × 1,25

Onde T_PH é a menor média diária de horas de pico solar de um mês por ano e 1,25 é o fator de escala. Com isso, o número de módulos FV N_módulos necessários pode ser determinado como;

N_módulos = Tamanho total do arranjo FV (W) / Classificação dos painéis selecionados em watts-pico.

Suponha, no nosso caso a carga é 3000 Wh/dia. Para saber o W_Pico total necessário da capacidade do painel solar, usamos o fator PFG, ou seja,

W_Pico total da capacidade do painel FV = 3000 / 3,2 (PFG)

= 931 W_Pico

Agora, o número necessário de painéis FV = 931 / 160W = 5,8.

Dessa forma, precisamos de 6 painéis solares cada um classificado para 160W. Você pode encontrar o número exato de painéis solares dividindo o W_Pico por outra classificação, ou seja, 100W, 120W, 150W etc, baseando-se na disponibilidade.

Nota: O valor do PFG (Fator de Geração do Painel) varia (devido a mudanças climáticas e de temperatura) em diferentes regiões, ex: PFG nos EUA = 3,22, UE = 2,93, Tailândia = 3,43 etc.

Além disso, perdas adicionais devem ser consideradas para encontrar o fator de geração do painel (PGF) exato. Essas perdas (em %) ocorrem devido a:

• Luz solar não atingindo o painel solar perpendicularmente (5%)
• Não recebendo energia no ponto de potência máxima (excluído no caso de controlador de carga MPPT). (10%)
• Sujeira nos painéis solares (5%)
• Envelhecimento dos painéis FV e abaixo da especificação (10%)
• Temperatura acima de 25°C (15%)

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Dimensionamento dos Cabos

O dimensionamento dos cabos depende de muitos fatores, como capacidade máxima de condução de corrente. Deve ter queda de tensão mínima e perdas resistivas mínimas. Como os cabos seriam colocados em ambiente externo, devem ser resistentes à água e ultravioleta.

O cabo deve ter queda de tensão mínima, tipicamente menos de 2%, pois há problema de queda de tensão em sistemas de baixa tensão. Subdimensionamento dos cabos resultará em perda de energia e às vezes pode até levar a acidentes. Enquanto o superdimensionamento não é economicamente viável. A área de seção transversal do cabo é dada como;

A = (ρI_ML / V_D) × 2

Onde

• ρ é a resistividade do material condutor do fio (ohm-metros).
• L é o comprimento do cabo.
• V_D é a queda de tensão máxima permitida.
• I_M é a corrente máxima transportada pelo cabo.

Além disso, você pode usar esta calculadora de tamanho de cabo e fio. Também use disjuntor de tamanho adequado e plugs e interruptores classificados.

Vamos ter um exemplo resolvido para o exemplo acima.

Exemplo:

Suponha que temos a seguinte carga elétrica em watts onde precisamos de um projeto e instalação de sistema de painel solar 12V, 120W.

• Uma lâmpada LED de 40W por 12 Horas por dia.
• Um refrigerador de 80W por 8 Horas por dia.
• Um Ventilador CC de 60W por 6 Horas por dia.

Agora vamos encontrar o número de painéis solares, classificação e dimensionamento do controlador de carga, inversor e baterias, etc.

Encontrando a Carga Total

Carga Total em Wh / dia

= (40W x 12 horas) + (80W x 8 horas) + (60W x 6 horas)

= 1480 Wh / por dia

A potência requerida pelo Sistema de Painéis Solares

= 1480 Wh x 1,3 … (1,3 é o fator usado para energia perdida no sistema)

= 1924 Wh/dia

Encontrando o Tamanho e Nº de Painéis Solares

Capacidade W_Pico do Painel Solar

= 1924 Wh / 3,2

= 601,25 W_Pico

Nº Necessário de Painéis Solares

= 601,25 / 120W

Nº de Painéis Solares = 5 Módulos de Painel Solar

Dessa forma, os 5 painéis solares cada um de 120W serão capazes de alimentar nossos requisitos de carga.

Encontrar a Classificação e Tamanho do Inversor

Como há apenas cargas CA no nosso sistema por tempo específico (ou seja, nenhuma carga CC adicional e direta conectada às baterias) e nossa potência total requerida é:

= 40W + 80W + 60W

= 180W

Agora, a classificação do inversor deve ser 25% maior que a carga total devido a perdas no inversor.

= 180W x 1,25

Classificação e Tamanho do Inversor = 225 W

Encontrar o Tamanho, Classificação e Nº de Baterias

Nossa potência de carga e tempo operacional em horas

= (40W x 12 horas) + (80W x 8 horas) + (60W x 6 horas)

Tensão Nominal de Bateria de Ciclo Profundo = 12V

Dias de Autonomia Requeridos (Energia por baterias sem energia do painel solar) = 2 dias.

[(40W x 12 horas) + (80W x 8 horas) + (60W x 6 horas) / (0,85 x 0,6 x 12V)] x 2 dias

A capacidade requerida das baterias em Ampere-hora = 483,6 Ah

Dessa forma, precisamos de uma capacidade de bateria 12V 500Ah para 2 dias de autonomia.

Neste caso, podemos usar 4 baterias cada de 12V, 125Ah conectadas em paralelo.

Se a capacidade de bateria disponível for 175Ah, 12V, podemos usar 3 baterias. Você pode obter o número exato de baterias dividindo a capacidade requerida das baterias em Ampere-hora pela classificação Ah da bateria disponível.

Número Necessário de Baterias = Capacidade requerida das baterias em Ampere-hora / Classificação Ah da bateria disponível

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Encontrar a Classificação e Tamanho do Controlador de Carga Solar

O controlador de carga deve ser 125% (ou 25% maior) que a corrente de curto-circuito do painel solar.

Tamanho do controlador de carga solar em Amp = Corrente de curto-circuito do FV × 1,25

Especificação do módulo FV

• P_M = 120 W_Pico
• V_M = 15,9 V_CC
• I_M = 7,5 A
• V_OC = 19,4 V
• I_SC = 8,8 A

A classificação requerida do controlador de carga solar é = (5 painéis x 8,8 A) x 1,25 = 44 A

Então você pode usar o controlador de carga com classificação mais próxima que é 45A.

Note que este método não pode ser usado para encontrar o tamanho exato de carregadores solares MPPT. Consulte o manual do usuário fornecido pelo fabricante ou veja a classificação da placa de identificação impressa nele.

Encontrar Cabo, Disjuntor, Interruptores e Tomadas - Ampacidade

Use as seguintes ferramentas e posts explicativos com gráficos para encontrar a classificação exata de amperagem de fios e cabos, interruptores e tomadas e disjuntores.

• Calculadora de Tamanho de Cabo/Fio ou Como Encontrar o Tamanho Adequado do Fio com Ampacidade.
• Encontrar a Classificação de Amperagem de Interruptores e Tomadas
• Encontrar o Tamanho e Classificação Adequados de Disjuntor.

Conclusão

O sistema FV autônomo é uma excelente maneira de utilizar a energia ecológica prontamente disponível do sol. Seu projeto e instalação são convenientes e confiáveis para requisitos de energia de pequena, média e grande escala. Tal sistema torna a disponibilidade de eletricidade quase em qualquer lugar do mundo, especialmente em áreas remotas. Torna o consumidor de energia independente da concessionária e outras fontes de energia como carvão, gás natural, etc.

Tal sistema pode não ter impacto negativo em nosso meio ambiente e pode fornecer energia por longos períodos após sua instalação. O projeto e instalação sistemáticos acima fornecem diretrizes úteis para nossa necessidade de energia limpa e sustentável no mundo moderno.

• Por: M. Phansopkar
• Atualizado Por: Electrical Technology