Dimensionamento de Sistema Solar Autônomo (Off-Grid)

Os sistemas atuais de geração elétrica solar fotovoltaicos podem ser conectados à rede elétrica (ON-GRID) ou autônomos (OFF-GRID). O dimensionamento de sistema autônomo (OFF-GRID) é simples, quando  aplicado a uma só tensão (voltagem) de trabalho e alguns pontos de consumo. Os conceitos de dimensionamento aplicados a esses sistemas são simples.  

De outra forma, quando a aplicação requer várias tensões ou pontos de consumo de características diferentes, recomendamos que essa análise seja feita por pessoa especializada e experiente em implantação de sistemas fotovoltaicos.

Para um dimensionamento o conhecimento de alguns valores e grandezas são necessários:

• Volts (V) é a grandeza usada para medir Tensões;

• Ampère (I) é a grandeza usada para medir a Corrente e

• Watt (W) é a medida da potência e também é o produto da  tensão pela corrente.

   

  [W] Watt = [V] Volts x [I] Ampère

Outras medidas aplicadas em sistemas solares são:

• Wp = Watt de pico: é a máxima potência gerada pelo painel solar em uma condição ideal.

• Wh = Watt hora: a potencia gerada ou consumida por hora.

• Ap ou Ip = Ampère de pico: é a corrente máxima possível em uma determinada condição especial.

• Ah ou Ih = Ampère hora ou corrente máxima obtida ou consumida por hora.

Para iniciar um dimensionamento é preciso saber o quanto será consumido:

1)  Para isso, faça a relação com a quantidade de todos os equipamentos, luzes, etc..., que pretende ligar ao sistema solar.

2) Verifique o consumo individual (em Watts) como mostra o exemplo 1

3) Faça uma estimativa de horas que cada equipamento ou conjunto ficará ligado por dia.

4) Multiplique os valores totais de consumo pelas horas de uso e ;

5) Some os resultados, obtendo a demanda diária de energia, ou seja, o valor em Watt x dia.

Exemplo 1:   Dimensionamento da necessidade de geração:

Conclui-se que o sistema deverá gerar um mínimo de 3.420 Watts por dia para a aplicação.

Dimensionamento e Instalação do Painel Solar

O resultado obtido para sua necessidade de geração, deve ser dividido pelo tempo médio de insolação do local (veja o mapa de insolação ao lado). Supondo que a localização está na área amarela, temos 6 horas.

Obtém-se assim, o valor aproximado por hora a ser gerado pelo(s) painéis solares para sua necessidade:

Exemplo 2:   Necessidade de geração por hora de insolação:

3420 Watts / 6 (horas) = 570 Watts hora

Será necessário um conjunto de painéis que gere 570 Wh. O sistema deverá ter no mínimo tal capacidade.

Para se obter tal quantidade de energia, faz-se a associação de vários painéis que, uma vez interligados, fornecerão a potencia necessária.

Escolha do Painel Solar:

Na escolha do painel a opção pela tecnologia do painel, área ocupada, durabilidade, etc... são opções relativas a cada aplicação.

Em um mesmo sistema, com mais de um painel, é altamente recomendável que tenham características semelhantes de potencia (Wp).

Exemplo 3:  

Supondo que optemos por 6 painéis de 100Wp, teremos:

6 x 100 Wp = 600 Watts hora

A somatória da potencia (Wp) entre eles, resultará em um valor igual ou maior que a necessidade. A potencia acima da necessária, será sua reserva de potencia.

Associação de Painéis Solares:

Os painéis solares geram eletricidade em corrente contínua (igual ao que é gerado em automóveis) e fornecem a energia polarizada, ou seja, um pólo é POSITIVO (+) e o outro pólo é NEGATIVO (-}. Em sua grande maioria, são fabricados para atender a uma tensão de 12 ou 24 Volts nominais.

A associação de painéis obedece à Lei de Ohm, ou seja:

a) Se conectarmos um painel a outro em PARALELO (Fig.3) - (positivo com positivo e negativo com negativo), a cada painel adicionado, a tensão se mantém e as correntes se somam;

b) Se conectarmos um painel a outro em SÉRIE (Fig.4) - (positivo de um painel com o negativo do outro), a cada painel adicionado a corrente se mantém e as tensões se somam.

Com estas propriedades, as associações nos permitem ter sistemas em tensões múltiplas: (Ex. 12+12= 24V , 24+24= 48V, etc.)

E da mesma forma os múltiplos de corrente.

Instalação dos Painéis Solares:

O painel deve ser instalado na direção do Norte geográfico, para localidades que estão no hemisfério sul do nosso planeta.

Fig.5: instale o painel para o NORTE

O local deve ser seguro, evitando o acesso de animais e pessoas. Evite instalar onde haja sombreamento, mesmo que durante parte do  dia e esteja o mais próximo do consumo. Os painéis podem ser fixados em telhados, lajes, postes, etc...

Fig.2: Tabela de insolação no Brasil

Fig.3: associação em PARALELO

Fig.4: associação em SÉRIE

Fig.6: inclinação do painel

Para a inclinação, consulte a tabela (fig6). (clique para aumentar). A precisão não é rigorosa, portanto pode ser aproximada. 

Não utilize uma inclinação inferior a 10º para não acumular sujeira no painel.

Dimensionamento do  Controlador de Carga

A escolha dos Controlador de Carga:

O controlador de carga é definido pela tensão de trabalho do sistema e pela maior corrente exigida. A capacidade do controlador deve superar a corrente dos painéis ou as de consumo, naquele em que for maior o valor.

Calcule ambas (corrente dos painéis e a ser consumida) e decida pela mais alta.

Lembre-se que o total de corrente é o consumo dividido pela tensão de trabalho do equipamento.

Verifique a corrente máxima exigida pelos equipamentos que serão ligados ao sistema solar.

Para os painéis, baseie-se na corrente discriminada na tabela do produto. A corrente do sistema será a soma das correntes máximas geradas pelo(s) paine(is) solar(es).  Obtenha o total, levando em consideração a associação dos painéis conectados.

Defina o controlador pelo maior valor encontrado (painel ou consumo).

Exemplo 4: No exemplo anterior, o consumo diário representa 570 Watt/hora, e a geração é de 600 Wh; Divide-se este valor pela tensão do sistema (veja abaixo), obtendo-se a corrente que será necessária para escolher o controlador.

Se o sistema funcionar em 12 Vcc:

600 W ÷ 12 V = 50 Ampères

Caso a corrente total supere a capacidade de um controlador (como neste caso), divida sua instalação em duas ou mais linhas (barramentos) de energia, executando o mesmo principio de balanceamento de carga de uma instalação elétrica convencional.

Exemplo 5: Se a instalação for em 12V será necessário a divisão da carga em dois controladores de 30A + 30A = 60A que será maior que os 50A.

Se o sistema funcionar em 24 Vcc:

600 W ÷ 24 V = 25 Ampères

Neste caso, com a instalação em 24V não será necessário a divisão da carga, e só será utilizado um controlador com capacidade maior que 25A, ou seja, o de 30A.

Obs.: Não é recomendável instalar sistemas que trabalhem em alta corrente, exceto para aplicações específicas; Tais sistemas são exponencialmente mais caros, requerem muito mais cuidado e segurança. Balancear a carga, dividindo a potencia total em barramentos, dentro do mesmo critério do utilizado na elétrica convencional, é uma forma recomendada, segura e  racional de instalação.

Existem vários tipos de controladores, para sua aplicação. Os modelos são:

- SLC : Em 12V ou 24V ou Auto (12/24V). Aplicável em sistema solar autônomos, em instalações compactas e simplificadas.

- LZP : Em 12V ou 24V. Aplicável em sistema solar autônomo, em instalações para iluminação ou similares; Possuem função fotos-sensora: - só liberam energia se for escuro, ou vice-versa.

- CCS: Em 12V ou 24V. Aplicável em sistema solar autônomo, em instalações mais complexas e monitoradas.

- CSH: Em 12V ou 24V. Para sistema solar e energia da rede (híbrido), em instalações de alta confiabilidade.

Consulte a página de Controladores

Escolha das Baterias:

Com o total da corrente produzida pelo(s) painé(is), multiplique pelas horas diária de insolação e utilize um fator de segurança:

Exemplo 6: Os painéis, produzem 50Ah em 12 Volts ou 25Ah em 24V.

Operando por 6 horas de insolação temos:

 50 Ah x 6 horas = 300 Ampères dia.

Obs.: O mesmo resultado é obtido em 24V.

Se a sua escolha for por uma bateria de 100 Ah, e esse acumulador, na prática fosse 100% utilizável, necessitaríamos apenas de 3 baterias:

 300 A/dia ÷ 100 Ah = 3 Unidades

Como esse acumulador "ideal" não existe até o momento, temos que optar por uma das melhores tecnologias existentes:

Se sua escolha for por uma bateria  "estacionaria" multiplique a necessidade por 2 e arredonde.

Se sua escolha for por uma bateria SpiralCell, multiplique por 1,5 e arredonde.

NÃO É RECOMENDÁVEL:

• Instalar sistema solar com baterias  automotivas, por estas não serem projetadas para uma descarga contínua e constante. Em geral as baterias automotivas proporcionam alta corrente no inicio e reduzem a potencia rapidamente se a descarga for contínua. A resistência na recarga também é mais alta e a vida útil fica comprometida na aplicação solar.

•  Que baterias trabalhem com menos de 50% de sua carga (exceto as de tecnologia SpiralCell) e quando há este risco, o numero de baterias deve ser aumentado. 

• NUNCA INSTALE BATERIA em painel solar SEM O CONTROLADOR DE CARGA, sob o risco de perda da bateria e perigo de explosão e incêndio.

É RECOMENDÁVEL:

• Na instalação, o uso de fusíveis, disjuntores  ou diodos para proteção.

• Trabalhe com baterias de descarga de ciclo profundo, com sistema de vasos selados onde o vapor é recuperado e recirculado no acumulador.

• Sempre combine baterias da mesma marca e da mesma capacidade.

Como a energia proveniente dos painéis e baterias é em corrente contínua (CC) e muitos dos equipamentos que utilizamos são fabricados para  corrente alternada (AC) os inversores são utilizados para modificar a tensão de entrada (Ex.: 12 Volts) em tensões de saída 110 ou 220 Volts, assim como a corrente contínua em alternada (senoidal).

Sua aplicação esta na alimentação de equipamentos que trabalham em AC (corrente alternada).

Há duas tecnologias caracterizadas nos inversores, relacionados à qualidade em reproduzir na onda criada o formato mais próximo de uma senoide AC:  1) senoide MODIFICADA e 2) senoide PURA.

O inversor também é definido pela tensão de trabalho na entrada (dos painéis solares) e pela tensão de saída em 110 Volts ou 220 Volts.

A capacidade do inversor deve superar a potencia em Watts do maior consumo dos equipamentos.

Verifique o consumo de pico e não esqueça que os motores ou equipamentos resistivos exigem uma carga adicional muito superior no inicio de operação, antes de entrar em regime de trabalho.

Se esse for o seu caso, considere no dimensionamento um valor compatível com o pico de consumo.

 Consulte a tabela de Inversores.

Dicas  e Informações para a Montagem do Sistema Solar Fotovoltaico

Painel Solar: Para não ocorrer danos tanto ao painel quanto aos equipamentos, recomendamos que os painéis estejam cobertos com lona ou plástico preto durante a instalação.

Sistemas simples com poucos painéis, não geram corrente ou tensão suficientes para causar choque à pessoa, porém sistemas maiores e "IN-GRID" só devem ser instalados por pessoal habilitado.

Controladores de Carga: Recomenda-se a instalação do(s) controlador(es) o mais próximo possível das baterias, evitando perdas de energia na fiação. A instalação de bateria e controlador, sempre deve ser em local à sombra e ventilado.

Os controladores fazem a compensação da carga na bateria, conforme a temperatura do ambiente e se colocados ao sol podem provocar leituras falsas do sistema. Todo cuidado deve ser tomado com possíveis inversões na ligação dos pólos negativo e positivo, para não queimar fusíveis ou equipamentos.

Utilize somente fiação de qualidade comprovada e dentro das normas da ABNT. Fios de baixa qualidade ou fora de especificação irá comprometer o rendimento do sistema, provocando perda de energia, aquecimento e mau contato. Veja na tabela abaixo a bitola de fio a ser utilizado aplicando-se a distância e a corrente de seu sistema. Os dados são para fio flexível, singelo com perda máxima até 5% da tensão em 12 Vdc. Para sistemas em 24 Vdc multiplique a distância por 2.

Ampères

1

2