Energia Solar e Suas Aplicações Sem Segredos

 

Dimensionamento de Sistema Solar Autônomo (Off-Grid)

Sistemas de geração elétrica através da luz solar - fotovoltaicos, podem ser conectados à rede elétrica (ON-GRID) ou autônomos (OFF-GRID).

A complexidade ou não do dimensionamento de um sistema autônomo "OFF-GRID" dependerá da aplicação:

  • Tensão de trabalho e numero de fases;

  • Quantidade de pontos de consumo;

  • Período de funcionamento das cargas de consumo.

Caso sua aplicação requeira várias tensões e características diferentes, recomendamos que a análise seja feita por pessoa especializada com experiencia na implantação de sistemas fotovoltaicos.

Para o dimensionamento solar, o conhecimento e familiaridade de grandezas eletricas 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.

Assim:                        [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.

  • 1 kW = 1000 Watts.

  • 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 abaixo. É importante que as grandezas estejam na mesma base. Se calcular em Watts, tudo deverá estar em Watt. O mesmo servirá se preferir trabalhar em kW. O resultado você poderá  converter ora em um ou ora em outro.

3) Faça uma estimativa de horas que cada equipamento 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:

 

Relação de consumo em Watts

Qt

Equipamento

Consumo W

horas de uso/dia

Consumo W por dia

unitário

total

10

Lâmpadas  internas

9

90

10

900

10

Lâmpadas externas

8

80

12

960

1

Televisor

100

100

6

600

1

Geladeira

120

120

8

960

Total do consumo Wp/dia

3.420

 

Resultado: Conclui-se que o sistema deverá gerar um mínimo de 3.420 Watt pico  (Wp) por dia para sua aplicação.

 

Dimensionamento e Instalação do Painel Solar

Com esse resultado obtido, devemos dividi-lo pelo tempo médio de insolação do local (veja o mapa de insolação ao lado).

Ex.: Supondo que a localização está na área amarela, temos 6 horas de insolação dia (td) media ao ano.

Logo, a potencia P em Watt/pico do sistema solar exigido (Pth = Potencia Total x hora), será correspondente à necessidade de consumo, dividido pelas horas de insolação (td):

Exemplo 2:

Pth = 3420 / td

Pth = 3420 / 6

Pth = 570

3420 Watts / 6 (horas) = 570 Watts hora

 

Obtém-se assim, o valor ideal por hora a ser gerado pelo sistema ou painel.

 

Será necessário um painel ou conjunto de painéis que gerem 570 Wh no mínimo.

Para se obter tal quantidade de energia combinando painéis, faz-se a interligação associando vários deles para fornecer a potencia necessária.

 

Escolha do Painel Solar:

 

a) Na escolha do painel, a opção pela tecnologia (mono, poli thin-film, etc..), dependerá da área ocupada, tipo de superfície, durabilidade e estabilidade desejada. São opções relativas a cada aplicação e seu custo x beneficio.

b) Outro fator importante em sistemas que estamos descrevendo, são as características de corrente e tensão do(s) painel(is). Não se misturam painéis de diferentes potencias ou tensões ou correntes em um mesmo sistema. É altamente recomendável que tenham características semelhantes.

c) Leve em consideração que painéis solares nestes casos, são para recarga de baterias e estas possuem uma característica de tensão e corrente de carga (12,24,36,48 V). Não adiantará adquirir pela tensão mais alta (mesmo que tendo a mesma potencia), pois o controlador não permitirá que passe para a bateria. Painéis com tensões maiores são recomendados para sistemas ON-GRID. Tensão acima da de recarga da bateria será um fator de ineficiência.

d) Para calculo da perda, ou da poencia real aproveitada do painel solar, considere a tensão de recarga da bateria (ex.: 14,5 V) pela corrente gerada:

 

Exemplo 3:  

O painel ABC possui a tensão em circuito de 17,2 Volts e corrente I de 6,89 Amp.

sua potencia, neste caso é de17,2 x 6,9 = 118,7 Watts. Mas como a tensão não passará de 14,5V, seu rendimento será de fato: 14,5 x 6,9 = 100,0 Watts !

 

Portanto do painel de 118,7 Wp, se aproveitará 100 Wp, uma perda de 18,7%.

 

Supondo que optemos por 6 painéis de 100Wp (118 Wp nominal), teremos:

 

6 unidades x 100 Wp = 600 Watts hora

 

A associação da potencia real (Wp) entre eles, deve resultar em um valor maior que a necessidade de consumo. A potencia acima da necessária, será sua reserva de potencia.

 

Associação de Painéis Solares:

 

Painéis solares geram eletricidade em corrente contínua (igual ao que é gerado em automóveis) e portanto, fornecem 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 nominal de 12 ou 24 Volts, mas geram 17 ou 34 Volts quando ligados no sistema. Por isso o uso de controlador é imprescindivel.

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.

 

O local deve ser seguro, evitando o acesso de animais e pessoas. Evite instalar onde haja sombreamento, mesmo que durante parte do dia pois isso causa perdas de eficiência e até deterioração acentuada de células.

Procure instalar os painéis o mais próximo do consumo.

 

Os conjuntos devem ser fixados em suportes adequados, sobretudo em telhados, lajes, postes, etc..., sob risco de stress dos materiais e danos no decorrer do tempo.

 

 

 

Fig.2: Tabela de insolação no Brasil

 

Fig.3: associação em PARALELO

 

Fig.4: associação em SÉRIE

 

Fig.5: instale o painel para o NORTE

 

 

Fig.6: inclinação do painel

 

Para a inclinação pode utilizar a seguinte formula, vinculada à latitude em que esta:

Inclinação = Latitude - (Latitude / 3)

 

   A precisão não é rigorosa e pode ser aproximada. Não utilize uma inclinação inferior a 5º para não acumular sujeira no painel.

Dimensionamento do  Controlador de Carga

O controlador de carga é definido pela tensão de trabalho do sistema. A capacidade do controlador deve superar a corrente dos painéis ou as de consumo.

A corrente do sistema será a soma das correntes dos paineis solares e a corrente demandada (a ser consumida)

 

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

 

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 funciona em 12 Vdc:

 

600 W ÷ 12 V = 50 Ampères

 

Caso a corrente total supera a capacidade de um controlador, 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. Porém se os paineis solares são para 12 V, assim como as baterias, devem ser associados em série para obter a tensão de 24 V.

 

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, 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 fotossensora: - 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.

 

Dimensionamento das Baterias

 

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

 

Exemplo 6: Os painéis, produzem 50Ah em 12 Volts ou 25Ah em 24V. Vamos instalar em 12V operando por 6 horas de insolação, assim teremos:

 

 50 Ah x 6 horas = 300 Ampères dia.

 

Obs.: O resultado para 24Volts será a metade.

 

Considerando uma bateria IDEAL em 12 V, teríamos 1 unidade de 300 Ah. Como esse acumulador "ideal" não existe até o momento, temos que optar pelas tecnologias existentes, e a escolha da bateria para um sistema solar deve ter outros  critérios a atender, entre eles:

 

a) A bateria deve receber a recarga de corrente dimensionada (No ex.: 50 Amp.)

b) Deve ter a mesma tensão do sistema (No ex.: 12 Volts).

c) Devemos saber qual é o limite da descarga que a bateria aceita. Baterias de descarga profunda mais comuns, aceitam ou recomendam operar entre 50% a 70% de descarga.

 

Se optar por descarga de 50% então seu numero de baterias dobrará.

Supondo que escolha atender através de baterias de 100 Ah e esse acumulador, a sua carga e descarga segura fosse de 50%, necessitaríamos de 6 baterias:

 

 

 

 300 A/dia ÷ 100 Ah = 3  (atendendo a 50%)

3 = 50% .'.  6 = 100%

 

Quanto maior a quantidade de baterias, maior será a autonomia de seu sistema.

NÃO É RECOMENDÁVEL:

  • Instalar sistema solar com baterias  automotivas. Estas não foram projetadas para a descarga de corrente contínua. Em geral as baterias automotivas proporcionam alta corrente no inicio e reduzem a potencia rapidamente. A resistência na recarga também é mais alta e a vida útil fica comprometida na aplicação solar.

  • 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 de 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 com a mesma capacidade.

Dimensionamento do Inversor

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 equipamen-tos que trabalham em AC (corrente alternada), através da energia solar.

Há duas tecnologias características dos inverso-res, relacionados à qualidade de reprodução de uma senóide

 

 1) Senóide MODIFICADA: São inversores que geram uma forma de onda quadratica, sendo tratada para se aproximar da senoidal AC. Tem otimo custo x beneficio e pode ser aplicado na maioria das cargas de consumo, exceto motores e equipamentos indutivos não retificados na entrada.  

 

 2) senóide PURA: Os inversores com essa caracteristica, podem ser utilizados para o suprimento de energia AC em qualquer sistema. Sua diferença está no custo e tamanho.

 

O inversor também é definido pela tensão de trabalho na entrada, que deve corresponder ao do sistema solar e pela tensão requerida na saída em 110 Volts ou 220 Volts. E ainda poderá ser mono ou trifásico.

 

A potencia de um inversor deve superar a do maior consumo dos equipamentos, incluindo os picos*.

 

*Verifique o consumo de pico e não esqueça que motores AC sem inversores de frequência e algumas maquinas e equipamentos exigem uma carga na partida, muito superior ao de operação.

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

 

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 "ON-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.

 

Fiação para o sistema solar

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.

 

TABELA DE ESPESSURA DE FIO PARA SISTEMA SOLAR A 12 Vdc

Bitola mm2 1,5 2,5 4 6 10 16 25 35 50 70 95

Ampères

Distância em metros

1

32 51 81 130 205 325 517 652 822 1308 1650

2

16 26 40 64 102 163 259 326 411 654 825
4 8 13 20 33 51 81 129 163 205 327 412
6 5 8 14 22 34 54 86 109 137 218 275
8 4 6 10 16 26 41 65 82 103 164 206
10 3 5 8 13 20 33 52 65 82 131 165
15 2 3 5 8 14 22 34 43 55 87 110
20 - 2 4 6 10 16 26 33 41 65 83
25 - - 3 5 8 13 21 26 33 52 66
30 - - 2 4 7 11 17 22 27 44 55
35 - - - 3 6 9 15 19 23 37 47
40 - - - - 5 8 13 16 20 33 41
45 - - - - 4 7 11 14 18 29 37
50 - - - - 3 6 10 13 17 26 33

Esta literatura tem como objetivo fornecer subsídios básicos para a instalação e utilização de sistemas a energia solar. Os conceitos aqui aplicados são de conhecimento público. A Lábramo Centronics através de sua divisão SunLab Power poderá alterar o seu conteúdo a qualquer momento que julgar oportuno, devido ao desenvolvimento constante de sua tecnologia.

 

 


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