Aula 10_2023

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Energia Solar – Sistemas fotovoltaicos
Parte 2
Dimensionamento de um sistema fotovoltaico – Aplicação isolado 
(não conectado à rede elétrica) 
O sistema abaixo constitui-se em uma configuração típica para alimentação das cargas de uma edificação ( residência). As 
cargas funcionam em Corrente alternada (CA) 
Componentes principais do sistema:
§ Gerador fotovoltaico : Fonte de energia elétrica
§ Sistema de armazenamento de energia elétrica : 
baterias
§ Controlador de carga: necessário para controlar o 
carregamento e a descarga das baterias
§ Inversor – Transforma a energia gerada em 
corrente contínua (CC) pelo SF e fornecida pela 
bateria, para corrente alternada (CA)
Cargas em 
corrente 
alternada 
Elo CC do 
sistema 
Manual de Engenharia de Sistemas Fotovoltaicos
GS – Grupo de trabalho de energia solar
1- Levantamento da radiação disponível no local de aplicação
2- Definição da localização e configuração do sistema 
3- Levantamento da demanda e consumo diário de energia 
4- Dimensionamento do gerador fotovoltaico
5- Dimensionamento dos demais componentes do sistema (banco de baterias, controlador de carga, inversor)
1- Levantamento da radiação solar disponível 
As principais etapas de um projeto de sistema fotovoltaico são: 
Nesta fase do projeto, busca-se quantificar a radiação solar global incidente sobre os painel solar. 
Os dados de radiação solar podem ser especificados em termos de valores instantâneos do fluxo de potência por 
unidade de área, ou valores de energia por unidade de área ( com diversos períodos de integração) .
A forma mais comum de apresentação dos dados de radiação é através de valores médios mensais para a energia 
acumulada ao longo do dia.
Existem vários organismos que disponibilizam bases de dados dos valores de radiação.
Exemplo : CRESESB, INPE, dentre outros.
Valores instantâneos ( em base horária) das potências/ m2 de área 
Ex: A figura ao lado mostra um comportamento instantâneo típico da 
irradiância solar incidente (W/m2) em um dia ensolarado.
A cada instante ( do nascer ao por do sol), a potência instantânea 
(irradiância) W/m2 muda de valor atingindo seu valor máximo às 12:00h 
quando o sol está no zênite, e diminuindo seu valor até o sol se por. A 
somatório da potência (Watts) x tempo(h) (área sob a curva) é igual a 
energia diária incidente (kWh/m2) 
Nas estimativas de produção de energia elétrica, é útil, ignorar os efeitos da variação da irradiância a cada instante e 
considerar a totalidade da energia elétrica convertidos em intervalos horários. 
Como há uma forte linearidade entre a produção de energia e a irradiância horária, este conceito pode ser estendido, 
gerando uma forma bastante conveniente de se expressar o valor acumulado de energia solar ao longo de um dia : o 
número de horas de sol pleno (HSP) .
Esta grandeza reflete o número de horas em que a irradiância solar deve permanecer constante e igual a 1 kW/m2 
(1000W/m2) , de forma que a energia resultante seja equivalente a energia disponibilizada pelo sol no local em questão ao 
longo de um dia . Assim por exemplo , para uma energia acumulada ao longo do dia de 4kWh/m2, a HSP é igual a :
HSP = 4 ( kWh/m2) / 1 (kW/m2) = 4 ( horas/dia) 
5
Figura demonstrativa para compreensão da grandeza de horas de sol pleno (NSP)
Sol pleno: Potência máxima atingida pela 
radiação solar (1000W/m2) ao nível do mar, às 
12:00h, quando o sol está no zênite, céu aberto, 
sem nuvens. 
2- Definição da localização e configuração do sistema 
A escolha onde os módulos fotovoltaicos serão instalados é determinante no seu desempenho.
Fatores que devem ser observados:
§ Existência de possíveis elementos de sombreamento
§ Área disponível para instalação da capacidade do painel projetada
§ Inclinação e orientação dos módulos ( na forma adequada) 
§ Resistência mecânica do telhado ou laje
§ Efeitos de ventos
§ Capacidade de trocar calor com o meio. 
Os módulos fotovoltaicos fixos são instalados em uma inclinação de acordo com a latitude do local. Ex: Cidade X = 27 graus. 
Portanto, é preciso obter a radiação solar medida / coletada nesta inclinação. 
Quanto à orientação, se instalados no hemisfério sul , estes são posicionados para o norte geográfico. Nestas condições 
acima, os módulos captam a máxima energia incidente diariamente. 
Ex: Radiação solar diária ( média dos meses) no plano de inclinação dos módulos 
Para dimensionamento do sistema normalmente se utiliza a radiação solar diária anual (média dos meses) que neste caso 
é de : 5,05 kWh/m2 
Obs: Poderia se utilizar a menor ou maior radiação do ano conforme o critério de dimensionamento
Dessa forma, para o exemplo, a HSP é igual :
HSP = 5,05 kWh/m2 / 1 (kW/m2) = 5,05 horas
Forma comum de apresentação dos dados de radiação: valores médios mensais para a energia acumulada ao longo de 
um dia, no plano inclinado. 
3- Levantamento da demanda e consumo diário de energia 
O dimensionamento do sistema de geração isolado pode ser feito totalizando-se o consumo diário de cada 
equipamento para um dimensionamento simplificado, ou construindo-se, com a maior fidelidade possível, uma curva 
de carga. 
Energia diária total consumida = 
36,088 kWh/dia
Demanda máxima = 4,50 kW
Um importante fator a ser considerado é o tipo de alimentação das cargas, se é em corrente contínua (CC) ou corrente 
alternada (CA). A utilização apenas de equipamento em corrente contínua (CC) dispensa o uso do inversor no sistema. 
Obs: Desejando ser bastante 
conservador(a) no 
dimensionamento do sistema, 
com relação à demanda, muitas 
vezes se utiliza o valor da 
demanda considerando a ligação 
de todos os equipamentos 
instantaneamente. 
4- Dimensionamento do gerador fotovoltaico
Dimensionar o gerador fotovoltaico significa determinar qual deve ser sua capacidade de potência para o atendimento da 
carga especificada com as condições de radiação solar incidente determinada .
Um módulo fotovoltaico é vendido na unidade Watt – pico (Wp) – Isto significa que este módulo fornece na sua saída a 
potência nominal (dado de placa) , Ex: 220 Wp, quando a irradiancia incidente for 1000W/m2 (sol pleno). Nos horários do 
dia em que a irradiancia for menor, a potência gerada é menor. 
Considerando o sistema, objeto de estudo: 
A potência do arranjo fotovoltaico – P(Wp) 
pode ser calculada pela seguinte equação
Onde:
§ CDE = consumo diário de energia (kWh)
§ RenI = rendimento do inversor (%)
§ Renbat = rendimento das baterias 
§ p1 = perda de potência nos módulos em relação a potencia 
nominal devido: acúmulo de sujeira na superfície e 
degradação ao longo do tempo; temperatura de operação. A 
esta perda atribui-se por default um valor de 0,25
§ p2 = perda na fiação e no controlador de carga. Para esta 
perda recomenda-se por default um valor de 0,1
Obs: 
Potencia nominal do módulo em Wp – é determinada via testes 
na fábrica nas condições padrão de temperatura ( 25 graus) ; 
radiação 1000W/m2; Massa de ar = 1,5)
Para:
- Consumo diário de energia = 36,088 kWh
- Energia diária/m2 = 5,05 kWh / m2 - > HSP = 5,05 h
E considerando:
RenI = rendimento do inversor - 90(%)
Renbat = rendimento das baterias – 85%
p1 = perda de potência nos módulos em relação a potencial nominal = 0,17 ( 17%)
p2 = perda na fiação e controlador de carga = 0,1 (10%)
P modulo = 280 Wpico
Area do Modulo = 1,63 m2 (1,650 x 0,992 m)
https://www.neosolar.com.br/loja/painel-solar-fotovoltaico-280w-osda-oda280-30-p.html
Temos que :
N placas = 12,505/0,28 = 44,6 módulos -> 1 modulo tem 1,63 m2 -> 44x 1,63 = 71,7 m2
= 36,088 / ( 0,9 x 0,85 x( 1-0,17) x (1-0,10) x 5,05) = 12505 kWp 
Cálculo do número de módulos fotovoltaicos, forma de ligação e área ocupada 
Considerando uma tensão do lado CC do 
sistema (pontos A e B) de 48 Volts
E considerando a compra de um módulo com a 
seguinte especificação: 280 Wp; 24 Vcc
Número total de módulos = Potência do arranjo calculada / potência de 
ummódulo = 12505 Wp /280 Wp = 44 módulos
Cálculo do número de módulos em série = Tensão do sistema / tensão 
do módulo = 48Vcc / 24 Vcc = 2 módulos
Número de arranjos paralelos = número total de módulos / número de 
módulos em série = 44 / 2 = 22 arranjos paralelos 
1 2 n = 22
. . . . . . . . . . . . . . .
24 Vcc
24 Vcc
48 Vcc
Obs: a soma da tensão de cada módulo 
em série tem que ser igual a tensão do 
sistema. 
A depender da quantidade de módulos 
em série necessários , é preciso em 
alguns casos , adicionar módulos e 
refazer o cálculo do número total de 
módulos:
Módulos em série x arranjos paralelos
Cálculo aproximado da área ocupada pelo arranjo de módulos
Aplicando para o conjunto total de módulos considerando a potência instalada em Wp, e considerando o rendimento do 
módulo usado de 17 %
P(Wp)( arranjo de módulos) = número de módulos x Potência de um módulo = 44 x 280 Wp = 12.320Wp
P(Wp) = eficiência do módulo x área de ocupação (A) x irradiancia máxima ( 1000 W/m2)
12320 Wp = 0,17 x A x 1000W/m2 , portanto A = 73,5 m2
Obs: este é um cálculo aproximado da área. Há de se considerar que os módulos serão instalados inclinados, com 
espaçamento necessário entre os arranjos para circulação, dentre outros aspectos.
O cálculo dessa área ajuda a verificar se a laje ou telhado, ou a área do terreno tem espaço necessário para instalação 
da totalidade dos módulos. 
Usando a equação da potência gerada por um módulo fotovoltaico : 
5- Dimensionamento dos demais componentes do sistema (banco de baterias, controlador de carga, inversor)
Capacidade do Banco de baterias (CB) (Wh) Onde: 
N = autonomia das baterias em dias ( não menor que 2 dias) 
Pd = máxima profundidade de descarga das baterias (%) 
O restante dos parâmetros já foram definidos e com valores 
atribuídos
p2 = perda na fiação e controlador de carga = 0,1 (10%)
Considerando N= 2dias e Pd = 80% 
CB= 36088 Wh x 2dias / ( 0,9 x 0,9 x 0,8) ; Portanto CB = 111382,71 Wh 
N é considerado levando em conta que durante o ano, em função do período chuvoso, há dias de baixa 
insolação.
Pd – Máxima profundidade de descarga das baterias ( normalmente baterias de chumbo ácido não podem 
ser totalmente descarregadas – ou seja não se pode usar 100% de sua carga)
Porém, baterias de níquel cádmio bem como outras tecnologias podem ser totalmente descarregadas
Cálculo do número de baterias e forma de ligação
Sabendo que a tensão do lado CC do 
sistema (pontos A e B) é 48 Volts
E considerando a compra de uma bateria de 240 Ah; 12 
Vcc ; Capacidade em Wh = 240 Ah x 12 Vcc = 2880 Wh
Número total de baterias = CB / capacidade de uma bateria = 
111382,71Wh /2880Wh= 38,67 = 39 baterias
Cálculo do número de baterias em série = Tensão do sistema / tensão de 
uma bateria = 48Vcc / 12 Vcc = 4 baterias
Número de arranjos paralelos = número total de baterias / número de 
baterias em série = 39 / 4 = 9,75 = 10 arranjos paralelos 
Portanto, o número total de baterias = 
4 baterias em série x 10 arranjos paralelos = 
4 x 10 = 40 baterias
A capacidade instalada de baterias = 40 x 2880 
Wh = 115200Wh
Obs: a soma da tensão de cada bateria em 
série tem que ser igual a tensão do sistema. 
12 Vcc
48 Vcc12 Vcc
12 Vcc
12 Vcc
1 2 n=10
. . . . . . . . 
Especificação do controlador de carga
O controlador de carga é um elemento necessário em sistemas que possuem baterias. Sua função principal é 
carregar e descarregar a bateria de forma eficiente. Para a escolha do controlador a ser usado, deve-se observar:
§ Tensão (Vcc) do controlador: deve ser maior que a tensão máxima de saída do arranjo fotovoltaico
§ Corrente elétrica (Amper) : deve ser 1,25 vezes a corrente de curto circuito (Isc) do módulo multiplicado pelo 
número de arranjos paralelos.
Há modelos de controladores de carga que permitem operação dos mesmos em paralelo, caso não esteja 
disponível no mercado controladores que atenda a especificação de corrente acima. O paralelismo divide a 
corrente entre os controladores. 
Especificação do inversor
O inversor é necessário no sistema para alimentação de cargas que funcionam em corrente alternada ( CA). Para a 
escolha do inversor deve-se considerar: 
§ A potência do inversor (Watts) deve ser igual ou superior a potência máxima da curva de carga. 
§ Da forma mais conservadora, a potência do inversor pode ser especificada igual ou superior à potência instalada , que 
é o somatório da potência de todas as cargas se houver grande probabilidade de que estas possam operar 
simultaneamente.
§ A tensão Vcc de entrada deve ser igual a tensão Vcc do sistema (tensão do banco de baterias)
§ A tensão Vca de saída deve ser igual a tensão de alimentação das cargas: 127 Vca para cargas monofásicas e 220 Vca 
para cargas bifásicas. 
§ Recomendável utilizar inversores de forma de onda senoidal
Alguns modelos permitem operação em paralelo 
dos inversores, caso não encontre no mercado 
inversores com potência necessária. 
Dimensionamento de um sistema fotovoltaico de pequeno porte conectado à rede elétrica
( caso do sistema a ser dimensionado na etapa 4 do Seminário)
As principais diferenças entre o projeto de um sistema conectado à rede elétrica e de um sistema isolado são:
§ Em sistema conectado à rede não há necessidade de armazenamento de energia elétrica;
§ Os sistemas operam obrigatoriamente em CA ( Corrente alternada) , na mesma frequência e tensão da rede local; 
§ Quando não há tensão na rede, o sistema fotovoltaico fica inoperante mesmo com irradiação solar presente;
§ O inversor usado é do tipo para conexão com a rede elétrica tendo a função adicional de isolar o sistema fotovoltaico 
da rede caso não haja tensão na rede ( a rede esteja desligada) 
A resolução 482/ 2012 da Aneel (Agência Nacional de Energia Elétrica), estabelece as condições gerais para o acesso da 
microgeração e minigeração de energia elétrica aos sistemas de distribuição de energia elétrica e o sistema de 
compensação de energia elétrica, cujas definições são: 
Sistema de microgeração: são aqueles com potência instalada inferior à 75 kW e que utilizam cogeração qualificada ou 
fontes renováveis de energia elétrica. 
Sistema de minigeração: são aqueles com as mesmas características da microgeração, mas cuja potência instalada é 
superior a 75 kW e menor ou igual à 5 MW.
Sistema de compensação de energia: é definido como “ um sistema no qual a energia elétrica ativa injetada na rede 
elétrica pela unidade consumidora é cedida por meio de empréstimo gratuito à distribuidora e posteriormente 
compensada com o consumo de energia elétrica”. 
Esquema de ligação de um sistema de micro ou minigeração conectado à rede elétrica 
A energia consumida ou injetada na rede elétrica de distribuição são 
registradas separadamente ou por um medidor bidirecional (figura 
(a) – funciona nos dois sentidos , ou seja, registra a energia que é 
injetada na rede pela fonte geradora e consumida da rede elétrica 
pelo consumidor), ou por dois medidores unidirecionais ( Figura (b) 
– a cada instante apenas o registro em um dos sentidos será 
realizado, dependendo da diferença instantânea entre a demanda e a 
potência gerada pelo sistema fotovoltaico). 
Medição da energia elétrica 
Contabilização da energia elétrica 
Se a cada mês, a energia gerada for maior que a consumida, este 
crédito de energia é usado para ser compensado nas faturas dos 
meses seguintes. Estes créditos são válidos por 60 meses. 
Não é permitido “zerar” a conta de energia, o consumidor do Grupo 
B deve contratar um mínimo de energia e pagar por ela (custo de 
disponibilidade) que é o custo referente à disponibilidade de 
infraestrutura e energia da Concessionária.
Dimensionamento do gerador fotovoltaico 
A potência do gerador fotovoltaico pode ser calculada pela seguinte equação:
Onde: 
P(Wp) – Potência de pico do painel (arranjo) fotovoltaico
E[Wh/dia] – Consumo médio diário de energia da edificação ou fração desta
TD ( adimensional) – Taxa de desempenhoHSP (h) – Média diária anual da HSP incidente no plano do painel.
Quanto a E[Wh/dia]
§ Deve-se se considerar a sazonalidade do consumo de energia ao longo do ano
§ O consumidor é obrigado a pagar mensalmente para a distribuidora uma quantidade mínima de energia por estar 
conectado à rede elétrica. É um valor que remunera a distribuidora por disponibilizar energia elétrica para as 
residências, mesmo sem haver consumo nenhum . O custo da disponibilidade do sistema elétrico aplicável ao 
consumidor do Grupo B , é o valor em moeda corrente equivalente a:
 I – 30kWh, se a instalação é monofásica ou bifásica a (dois) condutores
 II – 50 kWh, se bifásico a 3 (três) condutores
 III – 100 kWh , se trifásico
Por exemplo se a unidade consumidora (Ex: tipo I) em um determinado mês gerou mais do que consumiu, esta 
pagará por um consumo mínimo de 30kWh. 
Dimensionamento do gerador fotovoltaico - continuação 
Quanto a TD – Taxa de desempenho
É definida como a relação entre o desempenho real do sistema sobre o desempenho máximo teórico possível. Essa 
relação é um parâmetro para avaliar a geração de energia elétrica de um dado sistema fotovoltaico , por levar em 
consideração a potência real do sistema sob condições de operação considerando todas as perdas envolvidas:
§ Perda por queda de tensão devido à resistência dos conectores e cabeamentos
§ Sujeira na superfície dos módulos fotovoltaicos
§ Sombreamento na superfície dos módulos fotovoltaicos
§ Eficiência do inversor
§ Descasamento entre módulos de mesmo modelo ( diferença entre suas potências máximas)
§ Resposta espectral
§ Temperatura operacional, dentre outras.
A TD em geral se situa entre 70 - 80%
Dimensionamento do gerador fotovoltaico - continuação 
Quanto a HSP – horas de sol pleno
HSP (h) – Média diária anual da HSP incidente no plano do painel ( cálculo já mostrado para sistemas isolados neste 
arquivo) .
O dimensionamento de potência deve ser feito de forma otimizada buscando maximizar o retorno econômico 
do consumidor-gerador ( denominado Prossumidor) , considerando o custo de disponibilidade, a sazonalidade 
do perfil de consumo e do perfil de geração esperado com base no comportamento da irradiação do local. 
Ex. de sazonalidade do consumo de energia diária e irradiancia diária 
Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez 
Radiação solar diária no plano inclinado (kWh/m2) 
4,22 3,96 4,15 4,2 5,25 5,30 5,90 6,15 5,50 5,72 5,46 4,80 
Consumo diário (kWh) 
1,6 1,8 2,1 1,9 2,5 2,8 2,3 1,9 3,0 2,1 1,7 3,2 
 
O cálculo do consumo diário mensal de energia elétrica bem como o valor diário (média anual) pode ser realizado 
com base nas contas mensais de energia elétrica . 
Dimensionamento do Inversor
Recomendações:
§ O dimensionamento do sistema deve ser realizado de forma que o inversor não trabalhe muito tempo em potência 
demasiadamente abaixo da nominal nem seja sobrecarregado. Obs: ( abaixo da potência nominal, cai o rendimento 
do inversor; acima da nominal o inversor pode ser danificado);
§ De uma forma conservadora, a potência do inversor pode ser igual a potência nominal da geração fotovoltaica;
§ Os inversores de sistemas conectados à rede podem estar sujeitos a elevadas temperaturas devido ao local onde 
estão instalados como, por exemplo, montagem nos telhados e lajes. Neste caso específico, recomenda-se uma 
potência do inversor maior ou igual a potência do gerador fotovoltaico;
§ A tensão de entrada do inversor (Vcc) é a soma das tensões dos módulos associados em série;
§ A tensão de saída (Vca) é igual a tensão da rede elétrica onde o sistema fotovoltaico será conectado.
Lembrete:
O inversor para conexão com a rede elétrica é diferente do inversor usado em aplicação isolada.
Além de sua função principal de converter a energia gerada na tensão CC para CA, ele possui outras funções dentre 
estas, desconectar o gerador fotovoltaico da rede elétrica quando esta é desligada ( tensão zero)
Manual de Engenharia de Sistemas Fotovoltaicos
GS – Grupo de trabalho de energia solar