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INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SERGIPE CAMPUS LAGARTO BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA SISTEMA FOTOVOLTAICO DE ENERGIA Carlos Vital Oliveira Souza Caynã Edrey Santos de Jesus Jonnathan Siqueira Ramos LAGARTO 2022 INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SERGIPE CAMPUS LAGARTO BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA SISTEMA FOTOVOLTAICO DE ENERGIA Pesquisa bibliográfica sobre Sistema Fotovoltaico de Energia, como forma de avaliação da disciplina de Introdução à Engenharia Elétrica, do curso de Bacharelado em Engenharia Elétrica, ministrada pelo Professor Dr. José Espinola da Silva Junior, do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Sergipe. LAGARTO 2022 1. INTRODUÇÃO A sociedade, em busca de desenvolvimento e crescimento econômico, necessita de uma ilimitada demanda de energia elétrica. No mundo, atualmente, há indicações de esgotamento dos recursos naturais voltados para a geração de energia elétrica. Knirsch (2012) diz que devido ao crescente uso de diversos equipamentos que demande eletricidade, acarreta no aumento do consumo de eletricidade e o aumento do processo de produção industrial. Esse ciclo de desenvolvimento, consequentemente, aumenta a emissão de gases poluentes na atmosfera, desencadeando o chamado efeito estufa. Devido a isso, o homem vem estudando novos recursos e fontes para a geração de energia e que essas novas fontes de energia causem zero ou o mínimo dano ao meio ambiente possível e que seja, também, economicamente viável. Atualmente, os meios de geração de energia necessitam que sejam aplicados recursos muito altos e, devido a isso, causam enormes impactos financeiros, pois a implantação desses recursos são elevados. Sendo assim, os meios de obter energia através de recursos renováveis reduzem ou anulam as emissões de gases poluentes na atmosfera e, além do mais, torna-se economicamente viável, mesmo que ainda necessite de um bom investimento financeiro. O sistema fotovoltaico de energia é uma dessas alternativas de geração de energia limpa. Esse sistema capta a energia gerada pelo sol e a converte em energia elétrica, podendo abastecer a rede elétrica em até larga escala ou, até mesmo, para uso doméstico. A energia solar fotovoltaica já meio de geração de energia elétrica com uma tecnologia bem desenvolvida para esse fim. No ano de 2014, segundo os dados contidos no relatório da Agência Internacional de Energia (IEA, 2015), foram inseridos 38,7 GW em instalações fotovoltaicas na rede elétrica mundial. Somando esse dado, ao fim de 2014, já haviam cerca de 177 GW de potência em instalações elétricas fotovoltaicas. Para o Brasil, o sistema fotovoltaico pode contribuir na diversificação da matriz elétrica brasileira, podendo ser útil na preservação das fontes tradicionais de energia, seja na economia de combustíveis fósseis ou pela preservação dos níveis dos reservatórios das usinas hidrelétricas. Embora que lentamente, os desafios existentes no Brasil, no que se refere à energia solar fotovoltaica vem sendo superados e a evolução desse setor nos últimos anos, vem provar essa afirmativa. 2. FUNCIONAMENTO DE UM SISTEMA FOTOVOLTAICO DE ENERGIA O sol é a principal fonte de energia do nosso planeta. Anualmente, a superfície da terra recebe uma quantidade de energia solar, em forma de luz e calor, o que é suficiente para suprir, em milhares de vezes, as necessidades mundiais durante o mesmo período. Apenas uma pequena parcela dessa energia é aproveitada, porém, com poucas exceções, praticamente toda a energia usada pelo ser humano tem origem no sol. A energia do sol pode ser transformada em eletricidade através do efeito fotovoltaico, o que consiste em converter diretamente a luz solar em energia elétrica. Diferentemente dos sistemas solares térmicos, muito utilizados para aquecer ou para produzir eletricidade a partir da energia térmica do sol, o sistema fotovoltaico de energia possui a capacidade de captar a luz solar e produzir energia. A energia produzir é coletada e processada por dispositivos de controle e conversão, podendo ser armazenada em baterias ou ser utilizada diretamente em sistemas conectados à rede elétrica. As placas fotovoltaicas podem ser utilizadas nos telhados e fachadas de imóveis, residenciais, comerciais ou industriais, afim de suprir as necessidades locais de eletricidade, ou podem ser empregadas nas construções de usinas geradoras de eletricidade. IMAGEM 01: Esquema de funcionamento de um sistema fotovoltaico em uma residência. Fonte : https://renlight.com.br/faq-questoes-frequentes-renlight-energy-parte-1-on-grid Acessado em: 08/02/2022 https://renlight.com.br/faq-questoes-frequentes-renlight-energy-parte-1-on-grid IMAGEM 02: Usina geradora de eletricidade através de placas fotovoltaicas. Fonte : JUNIOR, 2002. Acessado em: 08/02/2022 O sistema fotovoltaico de energia se utilizada da irradiação da luz solar para gerar energia elétrica; os raios batem nas placas e acabam ativando as células e, desse modo, a energia é convertida em eletricidade. É importante lembrar que o que gera a energia elétrica não é o calor do sol, embora se tenha a produção de energia elétrica através do aquecimento de placas (o chamado energia térmico, mas esse sistema não utiliza as placas fotovoltaicas), mas sim os raios solares (fotóns). Basicamente, os painéis para a coleta de luz solar são instalados em locais com uma maior incidência de raios solares, a exemplo dos telhados. A luz do sol vai ativar os elétrons contidos nas células fotovoltaicas, gerando uma corrente elétrica contínua, que é passada pelo inversor; o inversor possui a função de transformar a corrente contínua em alternada e torna-se disponível para os equipamentos ligados na rede doméstica. A incidência dos raios solares em cima das placas fotovoltaicas gera um efeito: O efeito fotovoltaico. Esse efeito nada mais é que a conversão direta da luz solar em energia elétrica e conseguida através das placas solares constituídas de células solares. Deve-se atentar que este processo de conversão não depende do calor, muito pelo contrário, o rendimento da célula solar cai quando a temperatura está alta. IMAGEM 03: Efeito fotovoltaico. Fonte: OLIVEIRA. Acessado em: 08/02/2022 Embora seja uma fonte de energia eficiente, há as suas desvantagens. Por exemplo, se o tempo estiver nublado ou então seja noite, não há como produzir energia elétrica. Outro ponto negativo é o alto custo de investimento, o que torna inviável e inacessível para boa parte da população. 2.1. VANTAGENS O uso de sistemas de geração de energia baseada em fontes renováveis, acarreta em inúmeros benefícios para os seus usuários e para os países que empregam esse tipo sistema de eletricidade. O objetivo do sistema fotovoltaico de energia não é diferente do que propõe os sistemas de geração de energia elétrica com matrizes renováveis: proporcionar bem-estar, conforto e qualidade de vida através de fontes limpas de energia. O uso em larga escala desse tipo de sistema poderá reduzir a demanda por investimentos, públicos ou privados, em linhas de transmissão e o adiamento de construções de usinas de geração de energia com fontes convencionais. O sistema fotovoltaico tem como vantagens: É uma fonte de energia não poluente; Não tem peças moveis e, por isso, exige pouca manutenção, uma limpeza do painel, por exemplo; Não é necessário a utilização de combustíveis fósseis; Possui um bom período de vida útil; Permite aumentar a potência instalada incorporando módulos adicionais; 2.2. DESVANTAGENS As principais desvantagens do sistema fotovoltaico de energia são: Durante anoite, quando não há nenhum tipo de produção solar, é necessário que existam meios de armazenamento da energia que foi produzida durante o dia em locais onde as placas fotovoltaicas não estejam ligadas à rede de transmissão de energia; Locais com latitudes médias e altas sofrem quedas bruscas de produção ao longo do inverno. Isso é devido à menor disponibilidade diária de energia solar; Locais com frequência de cobertura de nuvens, tendem a ter variações diárias de produção de acordo com o grau de nebulosidade; As formas de armazenamento da energia solar são pouco eficientes quando comparadas, por exemplo, aos combustíveis fósseis e a energia hidroelétrica; As placas solares têm rendimento aproximado de 25%; 3. DIMENSIONAMENTO Para se dimensionar, de modo eficiente, um sistema fotovoltaico é de suma importância a realização de pesquisas, estudos e levantamentos de tecnologias, equipamentos e dispositivos que serão empregados com as informações que darão subsídio a formatação do projeto executivo da instalação do sistema. Indicar os principais pontos de atenção para o dimensionamento tornará a instalação do sistema eficiente e adequada aos objetivos do projeto. Antes de iniciar o dimensionamento do sistema é necessário ter em mãos informações como: Incidência de irradiação solar na região; Estudos de sombreamento; Histórico de consumo de energia elétrica; Informações técnicas de equipamentos e dispositivos do sistema fotovoltaico; De posse das informações necessárias, já se é possível estabelecer uma pré-avaliação da viabilidade técnica e econômica do sistema, considerando os itens abaixo: Produção de energia elétrica; Potência pico do sistema; Área e infraestrutura necessária; Estimativa de custos; É sempre importante e recomendável que o projeto do sistema a ser implantado tenha sua concepção em dados confiáveis, como a incidência de irradiação) e ferramentas computacionais para simulações (estudo de sombreamento) para o ótimo funcionamento do sistema. Os projetos devem estar de acordo com à Resolução Normativa (RN) 687/15 da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) e às normas regulamentadoras e manuais de referência técnica do projeto da concessionária de energia da região. Considerando que uma família deseja instalar um sistema de energia limpa em sua residência e, que o sistema escolhido foi o do tipo on grid, que é aquele em que o usuário produz sua própria energia elétrica e pode obter créditos com a concessionária de energia. O consumo total no mês dessa família seja de 1000 kWh. A irradiação solar é de 5,45 kWh/m²; a taxa de desempenho adotada será de 75% e, retirando a margem e considerando 95%, o sistema precisará gerar: 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑎 𝑠𝑒𝑟 𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 = 0,95 ∙ 1000 𝑬𝒏𝒆𝒓𝒈𝒊𝒂 𝒂 𝒔𝒆𝒓 𝒈𝒆𝒓𝒂𝒅𝒂 = 𝟗𝟓𝟎 𝒌𝑾𝒉 A potência a ser instalada, para que atenda o cálculo acima e a necessidade da família deve ser: 𝑃𝑖𝑛𝑠𝑡𝑎𝑙𝑎𝑑𝑎 = 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑎 𝑠𝑒𝑟 𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 (𝑖𝑛𝑑. 𝑖𝑟𝑟𝑎𝑑. 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 ∙ 𝑑𝑖𝑎𝑠) ∗ 𝑡𝑎𝑥𝑎 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑠𝑒𝑚𝑝𝑒𝑛ℎ𝑜 𝑃𝑖𝑛𝑠𝑡𝑎𝑙𝑎𝑑𝑎 = 950 (5,45 ∙ 30) ∗ 0,75 𝑷𝒊𝒏𝒔𝒕𝒂𝒍𝒂𝒅𝒂 = 𝟕, 𝟕𝟓 𝒌𝑾𝒑 Após descobrir a potência que deverá instalada na residência, é hora de definir a quantidade de painéis solares e a sua potência. Considera-se que seja utilizado um painel com potência de 350 W: 𝑁𝑢𝑚.𝑑𝑒 𝑝𝑙𝑎𝑐𝑎𝑠 = 𝑃𝑖𝑛𝑠𝑡𝑎𝑙𝑎𝑑𝑎 ∙ 1000 𝑃𝑝𝑙𝑎𝑐𝑎 𝑁𝑢𝑚.𝑑𝑒 𝑝𝑙𝑎𝑐𝑎𝑠 = 7,75 ∙ 1000 350 𝐍𝐮𝐦. 𝐝𝐞 𝐩𝐥𝐚𝐜𝐚𝐬 ≈ 𝟐𝟑 𝐩𝐥𝐚𝐜𝐚𝐬 Serão instaladas 23 placas de painéis solares nesse sistema. O dimensionamento de um sistema fotovoltaico dependerá do seu tipo. Considera-se que uma outra família optou por instalar em sua residência um sistema off grid, que é aquele que utiliza-se de baterias para manter o uso de equipamentos elétricos mesmo em períodos de menor produção, não dependendo da rede de distribuição convencional. Para o sistema citado no parágrafo anterior, é necessário fazer os levantamentos das cargas de corrente contínua (CC), de acordo com as especificações do fabricante dos módulos e, as cargas de corrente alternada (CA) que deverão estar de acordo com a especificação do fabricante do inversor. Assim, fazendo uma multiplicação simples para determinar o consumo diário, pode-se determinar o período de autonomia do sistema e, em consequência, a capacidade das baterias solares. IMAGEM 04: Esquema para cálculo de dimensionamento de um sistema fotovoltaico off grid Fonte: OLIVEIRA. Acessado em: 12/02/2022 É importante que, durante o dimensionamento, leve-se em consideração informações referentes a irradiação solar Também deve-se levar em consideração a profundidade de descarga da bateria, que é o percentual de carga retirada da mesma, numa determinada descarga; ou seja, considerando 0% quando não se descarrega nada (totalmente carregada) e 100% de profundidade de descarga (0% de carga), o que se dá, geralmente, quando a tensão da bateria com tensão nominal de 12V atinge cerca de 10,5V. Considere que o dimensionamento desse sistema fotovoltaico seja para uma residência unifamiliar e, o consumo total diário em Ampère-hora/dia (Ah/dia) seja de 20Ah, com uma profundidade descarga no final da autonomia em 60% (0,6) e uma autonomia para o sistema de três dias. 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑏𝑎𝑛𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 = 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑖á𝑟𝑖𝑜 ∙ 𝐴𝑢𝑡𝑜𝑛𝑜𝑚𝑖𝑎 𝑑𝑜 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑃𝑟𝑜𝑓𝑢𝑛𝑑𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑛𝑜 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑑𝑎 𝑎𝑢𝑡𝑜𝑛𝑜𝑚𝑖𝑎 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑏𝑎𝑛𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 = 20 ∙ 3 0,6 𝑪𝒂𝒑𝒂𝒄𝒊𝒅𝒂𝒅𝒆𝒃𝒂𝒏𝒄𝒐 𝒅𝒆 𝒃𝒂𝒕𝒆𝒓𝒊𝒂 = 𝟏𝟎𝟎 𝑨𝒉 A bateria que será utilizada no sistema terá uma capacidade armazenamento de 100 Ah, atendendo a demanda projetada e, ainda, acima do consumo total diário. Ainda nesse sistema, deve-se considerar a profundidade de descarga no final de cada noite, quando não há incidência de raios solares e, mesmo assim, o sistema continuará alimentando a residência com energia elétrica. Considera-se uma profundidade de descarga em 15% (0,15): 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑏𝑎𝑛𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 = 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑖á𝑟𝑖𝑜 𝑃𝑟𝑜𝑓𝑢𝑛𝑑𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑛𝑜 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑛𝑜𝑖𝑡𝑒 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑏𝑎𝑛𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 = 20 0,15 𝑪𝒂𝒑𝒂𝒄𝒊𝒅𝒂𝒅𝒆𝒃𝒂𝒏𝒄𝒐 𝒅𝒆 𝒃𝒂𝒕𝒆𝒓𝒊𝒂 ≈ 𝟏𝟑𝟒 𝑨𝒉 Para fins de cálculo, considera-se o maior valor para capacidade da bateria encontrado (134 Ah). Agora, determina-se a potência mínima para o gerador fotovoltaico. Considera-se uma tensão de máxima potência do módulo (VMP) de 17,4 V (Usualmente utilizada para sistemas com baterias de 12V). Levando em consideração que essa residência se localiza no nordeste do Brasil, logo é considerado o nível médio do mês mais crítico entre 4h e 5h de sol pleno. O fator de segurança utilizado será de 0,8. 𝑃𝑜𝑡. 𝑚𝑖𝑛𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑓𝑜𝑡𝑜𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑖𝑐𝑜 = 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑖á𝑟𝑖𝑜 ∙ 𝑉𝑀𝑃𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑒𝑞. 𝑑𝑒 𝑠𝑜𝑙 𝑝𝑙𝑒𝑛𝑜 ∙ 𝑓𝑎𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑔. 𝑃𝑜𝑡. 𝑚𝑖𝑛𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑓𝑜𝑡𝑜𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑖𝑐𝑜 = 20 ∙ 17,4 4,5 ∙ 0,8 𝑃𝑜𝑡. 𝑚𝑖𝑛𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑓𝑜𝑡𝑜𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑖𝑐𝑜 ≈ 𝟏𝟎𝟎 𝑾 Portanto, será utilizando dois módulos de 50W para a potência das cargas de corrente alternada (CA), totalizando 100W de Potência mínima do gerador. Para o inversor, considera-se que o sistema terá um percentual de perdas (para esse caso, será considerado 20%). 𝑃𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟 = 𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑎𝑠 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎𝑠 𝐶𝐴 + 20% 𝑑𝑒 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠 𝑃𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟 = 50 + 10 𝑷𝒊𝒏𝒗𝒆𝒓𝒔𝒐𝒓 = 𝟔𝟎 𝑾 Para esse sistema, o inversor precisará de uma Potência de 60W.4. TIPOS DE GERAÇÃO Os sistemas fotovoltaicos são divididos em on grid (conectados à rede), off grid (isolados) e/ou híbrido. 4.1. SISTEMA ON GRID Também conhecido como sistema fotovoltaico residencial, o sistema do tipo on grid permite que o usuário produza parte ou toda energia que será consumida em sua residência, sendo assim, é possível, praticamente, “livrar-se” da conta de energia elétrica das concessionárias de energia. Esse sistema depende da rede de distribuição, onde se é possível fornecer créditos pela energia gerada em excesso. Para fins de cálculo, leva-se em consideração o consumo mensal de energia elétrica (kWh), a área disponível que serão instaladas as placas solares e a localidade geográfica, onde será levado em consideração a irradiação solar daquela região. Esse tipo de sistema é caracterizado por seu tamanho, ou seja, uma residência pequena (com até 80 m²) raramente ou nunca precisará de um gerador com uma potência acima de 10 kWp. 4.2. SISTEMA OFF GRID Esse tipo de sistema é semelhante ao on grid, a diferença é potência a instalada. Para fins de cálculo, as informações utilizadas no sistema on grid será a mesma (consumo médio, irradiação solar e etc.). Enquanto que a potência instalada nos sistemas on grid sejam entre 1 kWp e 10 kWp, para os sistemas off grid a potência será entre 10 kWp e 100 kWp, precisando ocupar áreas grandes. Diferentemente do sistema anterior, esse sistema se utiliza de baterias solares para manter o uso de equipamentos elétricos, mesmo em períodos de menor produção. São sistemas que são utilizados em locais remotos, exigindo um dimensionamento minucioso e os seus cálculos leva-se em consideração as cargas utilizadas. As baterias solares possuem, em média, autonomia de 3 dias. 4.3. SISTEMA HÍBRIDO. Esse sistema é um mesclado entre o sistema on grid e o sistema off grid. Significa que o sistema é conectado à rede de energia elétrica, mas que possui uma bateria de armazenamento de energia elétrica. Esse tipo de sistema é mais caro que os outros dois, pois é necessário que se tenha mecanismos de segurança e equipamentos específicos. 5. REFERÊNCIAS OLIVEIRA, R.A. ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA – INTRODUÇÃO. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Sergipe. OLIVEIRA, R.A. ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA – OFF GRID - DIMENSIONAMENTO. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Sergipe. OLIVEIRA, R.A. ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA – OFF GRID. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Sergipe. OLIVEIRA, R.A. ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA – MÓDULOS. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Sergipe. OLIVEIRA, R.A. ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA – EFEITO FOTOVOLTAICO. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Sergipe. JUNIOR, R.M.M. ENERGIAS RENOVÁVEIS E PRODUÇÃO DESCENTRALIZADA – INTRODUÇÃO À ENERGIA FOTOVOLTAICA. Universidade Técnica de Lisboa. Edição 0. Lisboa, 2002. LOSCHI, H.J. COMPREENDENDO UM SISTEMA FOTOVOLTAICO. Editora Baraúna. 2015. ZILLES, R., MACÊDO, W.N., GALHARDO, M.A.B., OLIVEIRA, S. H. F. SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CONECTADOS À REDE ELÉTRICA. Editora Oficina de Textos. São Paulo, 2016.
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