Como projetar e instalar um sistema solar fotovoltaico?

Projeto e instalação de sistemas solares fotovoltaicos

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 geralmente é satisfeita por fontes de energia não renováveis, como carvão, petróleo bruto, gás natural, etc. Mas a utilização de tais recursos tem causado um forte impacto em nosso meio ambiente.

Além disso, essa forma de recurso energético não é distribuída uniformemente na Terra. Há uma incerteza dos 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 ​​tem crescido nos últimos anos.

A energia solar tem estado no centro das atenções quando se trata de fontes de energia renováveis. Está prontamente disponível em uma forma abundante e tem o potencial de atender às necessidades de energia de todo o nosso planeta. O sistema solar fotovoltaico autônomo, conforme mostrado na fig. 1, é uma das abordagens quando se trata de atender nossa demanda de energia independentemente da concessionária. Assim, a seguir, veremos brevemente o planejamento, projeto e instalação de um sistema fotovoltaico autônomo para geração de eletricidade.

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Planejamento de um sistema fotovoltaico autônomo

Avaliação do local, levantamento topográfico e avaliação de recursos de energia solar:

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

1. Tom mínimo: Deve-se assegurar que o local selecionado, seja na cobertura ou no solo, não tenha sombras ou nenhuma estrutura que intercepte a radiação solar que incide sobre os painéis a serem instalados. Além disso, certifique-se de que não haverá nenhuma construção estrutural em torno da instalação que possa causar o problema de sombreamento.
2. Área de superfície: A área de superfície do local em que a instalação fotovoltaica se destina deve ser conhecida, para se ter uma estimativa do tamanho e do número de painéis necessários para gerar a potência necessária para a carga. Isso também ajuda a planejar a instalação de inversores, conversores e bancos de baterias.
3. Telhado: No caso da instalação em telhado deve ser conhecido o tipo de telhado e a sua estrutura. No caso de telhados basculantes, o ângulo de inclinação deve ser conhecido e a montagem necessária deve ser usada para que os painéis tenham mais incidências de radiação solar, ou seja, o ângulo de radiação ideal deve ser perpendicular ao painel fotovoltaico e praticamente tão próximo quanto 90 graus .
4. Rotas: Possíveis rotas para os cabos de um inversor, banco de baterias, controlador de carregamento e arranjo fotovoltaico devem ser planejadas de forma a ter uma 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 da energia solar do local selecionado é de suma importância. A insolação é definida como a medida da energia do sol recebida em uma área específica 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 maneiras:

• Quilowatt-hora por metro quadrado por dia (KWh/m ² /dia): É uma quantidade de energia medida em quilowatts-hora, caindo em metros quadrados por dia.
• Horário de sol de pico diário (PSH): Número de horas em um dia durante o qual a irradiância é em média de 1.000 W/m ² .

As horas de sol de pico são mais comumente usadas, pois simplificam os cálculos. Não se confunda com as “horas médias de sol ” e “Horário de pico do sol ” que você coletaria na estação meteorológica. As "horas médias de sol" indicam o número de horas de sol, enquanto as "horas de sol de pico" são a quantidade real de energia recebida em KWh/m ² /dia. Entre todos os meses de um período do ano, use o menor valor médio diário de insolação, pois isso garantirá que o sistema funcione de maneira mais confiável quando o sol estiver menos devido a condições climáticas inadequadas.

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Considerações para sistema fotovoltaico autônomo

Cálculo da demanda de energia

O tamanho do sistema fotovoltaico autônomo depende da demanda de carga. A carga e seu tempo de operação variam para diferentes aparelhos, portanto, cuidados especiais devem ser tomados 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-se a demanda de carga 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 for mais alta. Um sistema projetado para a mais alta demanda garantirá que o sistema seja confiável. Se o sistema atender à demanda de carga de pico, ele atenderá à demanda mais baixa. Mas projetar o sistema para a maior demanda aumentará o custo total do sistema. Por outro lado, o sistema será totalmente utilizado apenas durante o pico de demanda de carga. Então, temos que escolher entre custo e confiabilidade do sistema.

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Classificações de inversores e conversores (controlador de carga)

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

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

Dimensão do conversor e controlador de carregamento

A classificação do controlador de carregamento deve ser de 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 carregamento solar em amperes =corrente de curto-circuito do PV × 1,25 (fator de segurança).

Por exemplo, precisamos de 6 números cada um dos painéis solares de 160W para nosso sistema. A seguir estão a data relacionada do painel fotovoltaico.

Suponha que as especificações do módulo fotovoltaico sejam as seguintes.

• P_M =160 W_Pico
• V_M =17,9 V_DC
• Eu_M =8,9A
• V_OC =21,4 A
• Eu_SC =10A

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

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

Observação:Esta fórmula não se aplica a carregadores solares MPPT. Consulte o manual do usuário ou verifique a classificação de dados da placa de identificação para dimensionamento adequado.

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Dimensão 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 avaliado em 125% do que a carga total necessária em watts. Por exemplo, se a potência necessária for 2400W, o tamanho do inversor deve ser:

2400 W x 125%

2400 W x 1,25

3000 Watts.

Então precisamos de um inversor de 3kW em caso de carga de 2400W.

Energia diária fornecida ao inversor

Consideremos no nosso caso que o consumo diário de energia pela carga é de 2700 Wh. Observe que o inversor tem sua eficiência, portanto a energia fornecida ao inversor deve ser maior que a energia utilizada 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 chamada de tensão do sistema. É também a tensão geral da bateria. Esta tensão do sistema é decidida pela tensão da bateria individual selecionada, corrente de linha, queda de tensão máxima permitida e perda de energia no cabo. Normalmente, a tensão das baterias é de 12 V, então será a tensão do sistema. Mas se precisarmos de uma tensão mais alta, deve ser múltiplos de 12 V, ou seja, 12 V, 24 V, 36 V e assim por diante.

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

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Dimensão das baterias

Ao dimensionar a bateria alguns parâmetros devem ser considerados como segue:

1. Profundidade de descarga (DOD) da bateria.
2. Tensão e capacidade de amperes-hora (Ah) da bateria.
3. O número de dias de autonomia (é o número de dias necessários para alimentar todo o sistema (energia de backup) sem painéis solares em caso de sombreamento total ou dias chuvosos. Abordaremos esta parte em nosso próximo artigo) para obtenha a capacidade Ah necessária das baterias.

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

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

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

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

Não. de baterias necessárias =Capacidade de carga necessária / (100 × 0,7)

Não. de baterias necessárias =125 Ah / (100 × 0,7) =1,78 (arredondar 2 baterias)

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

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

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

Então, no total serão quatro baterias de 12 V, 100 Ah. Dois conectados em série e dois conectados em paralelo.

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

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Dimensionamento da matriz PV

Diferentes tamanhos de módulos fotovoltaicos disponíveis no mercado produzem um nível diferente de potência de saída. Uma das formas mais comuns de determinar o dimensionamento do arranjo fotovoltaico é usar a menor insolação média diária (irradiância solar) nas horas de pico de sol da seguinte forma;

O tamanho total do painel fotovoltaico (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 sol de pico de um mês por ano e 1,25 é o fator de escala. Com isso, o número de módulos fotovoltaicos N_módulos necessário pode ser determinado como;

N_módulos =Tamanho total do painel fotovoltaico (W) / Classificação dos painéis selecionados em watts de pico.

Suponha que, em nosso caso, a carga seja de 3.000 Wh/dia. Para saber o W_Pico total necessário de uma capacidade do painel solar, usamos o fator PFG, ou seja,

Total W_Pico da capacidade do painel fotovoltaico =3000 / 3,2 (PFG)

=931 W_Pico

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

Dessa forma, precisamos de 6 números de 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, com base na disponibilidade.

Observação :o valor de PFG (Fator de geração do painel) está variando (devido a mudanças climáticas e de temperatura) em diferentes regiões, por exemplo, PFG nos EUA =3,22, UE =293, Tailândia =3,43 etc.

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

• A luz do sol não atinge o painel solar diretamente (5%)
• Não receber energia no ponto de potência máxima (excluído no caso de controlador de carregamento MPPT). (10%)
• Sujeira nos painéis solares (5%)
• Painéis fotovoltaicos antigos e abaixo da especificação (10%)
• Temperatura acima de  25°C (15%)

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Dimensão dos cabos

O dimensionamento dos cabos depende de muitos fatores, como a capacidade máxima de transporte de corrente. Deve ter uma queda de tensão mínima e ter perdas resistivas mínimas. Como os cabos seriam colocados no ambiente externo, deveriam ser resistentes à água e aos raios ultravioleta.

O cabo deve comportar queda de tensão mínima normalmente inferior a 2%, pois há um problema de queda de tensão no sistema de baixa tensão. O subdimensionamento dos cabos resultará em perda de energia e às vezes pode até levar a acidentes. considerando que o superdimensionamento não é economicamente acessível. A área da seção transversal do cabo é dada como;

A =(ρI_M L / V_D ) × 2

Onde

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

Além disso, você pode usar esta calculadora de tamanho de cabo e fio. Além disso, use o disjuntor de tamanho adequado e plugues 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 um sistema de painel solar de 12V e 120W.

• Uma lâmpada LED de 40 W por 12 horas por dia.
• Um refrigerador de 80 W por 8 horas por dia.
• Um ventilador DC de 60 W por 6 horas por dia.

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

Como encontrar a carga total

Carga total em Wh / dia

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

=1480 Wh / por dia

A potência exigida 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 o número de painéis solares

W_Pico Capacidade do painel solar

=1924 Wh /3,2

=601,25 W_Pico

Número necessário de painéis solares

=601,25 / 120W

Nº de painéis solares =5 módulos de painéis solares

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

Encontre a classificação e o tamanho do inversor

Como há apenas cargas CA em nosso sistema por um tempo específico (ou seja, nenhuma carga CC adicional e direta conectada às baterias) e nossa potência total necessária é:

=  40W + 80W + 60W

=180W

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

=180 W x 2,5

Tamanho e classificação do inversor =225 W

Encontre o tamanho, a classificação e o número de baterias

Nossa potência de carga e tempo operacional em horas

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

Tensão nominal da bateria de ciclo profundo =12V

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

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

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

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

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

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

Número necessário de baterias = Capacidade necessária das baterias em Ampere-hora / Classificação Ah da bateria disponível

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Encontre a classificação e o tamanho do controlador de carga solar

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

Tamanho do controlador de carregamento solar em Amp =corrente de curto-circuito de PV × 1,25

Especificação do módulo fotovoltaico

• P_M =120 W_Pico
• V_M =15,9 V_DC
• Eu_M =7,5A
• V_OC =19,4A
• Eu_SC =8,8A

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

Para que você possa usar o controlador de carregamento classificado mais próximo, que é 45A.

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

Encontrando o cabo, CB, interruptores e ampacidade do plugue

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

• Calculadora de tamanho de fio de cabo ou como encontrar o tamanho de fio adequado com ampacidade.
• Encontre a classificação de amperagem de switches e plugues
• Encontre o tamanho e a classificação apropriados do disjuntor.

Conclusão

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

Tal sistema não pode 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:Tecnologia Elétrica